电磁学实验讲义09.docx
《电磁学实验讲义09.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电磁学实验讲义09.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电磁学实验讲义09
电磁学实验要求
一、实验操作规则
为了人身安全及保护仪器，同时也为了实验顺利进行，实验中务必遵守：
1、实验时应遵守电磁学实验室规章制度。
有条理地布置仪器。
连接线路前，应先将所有仪器放在合适位置，以便在实验时确保安全，使操作和读数方便。
2、注意各仪器的规格是否合适。
使用电表时要特别注意其量限及正负极性；滑线变阻器、电阻箱、电感等要注意额定电压和额定功率并由此计算出额定电流，切勿使用仪器超过其额定值。
3、连接简单电路时，可从电源一极出发，顺次连接串联部分，而后再连接并联部分。
连接复杂电路时，要先连好一个个单元电路，然后绕主要元件连接。
4、连接好电路后，自己先仔细检查几遍，将限流电阻置于最大值，分压电路的分压调到最小，电阻应调到相应位置以保护仪表，开关应断开。
5、对全部电路，经检查认为正确后，再请教师检查，经教师允许后才能接通电源，进行实验，开始先作瞬间接通，看各仪表动作是否正常，如正常可正式通电实验，否则应立即断开电源。
6、在改接电路或交换电表量程时，必须断开电源，而后换接，以免发生危险或损坏仪器。
7、，实验中遇到问题（或仪器发生故障）时，应先切断电源，马上向老师报告，冷静地分析和处理，并在老师指导下学习排除故障。
8、在实验中要正确记录实验数据（注意单位和有效数字位数），不要忙于追求实验测量数据，如发现数据有问题时，可以重新做实验，并对原来数据标上特殊符号以待查考，未重新测量绝不允许修改实验数据。
9、在测量时，应如实、即时做好实验数据记录（数据记录要整洁，字迹清楚，避免错记），不可事后凭回忆“追记”数据，更不可为拼凑数据而将实验数据记录做随心所欲的涂改。
10、做完实验，应先把有关仪器调到偏转的最小位置，然后切断电源，经教师检查后再拆线路。
拆线路应先拆电源，最后将所有仪器还原，桌面收拾整洁。
离开实验室前，必须对仪器使用登记薄和实验项目卡如实进行登记，并把实验数据给教师审查签字后方可离开实验室。
敬请注意：
离开实验室时未经教师允许决不能带走实验室的一齐仪器设备（包括部件）及资料。
否则将严肃处理！
！
！
！
二、实验预习
实验课前要求仔细阅读实验教材或有关资料，明白实验的目的要求、原理和方法，初步了解有关测量仪器的主要性能、使用方法和注意事项。
弄清实验步骤，画好实验数据记录表格。
未做好预习者不得动手做实验。
如果是课题实验或设计性实验内容，需制定初步实验方案，提出对仪器设备的要求。
三、实验总结
实验报告是实验的全面总结，要用简明扼要的形式，将实验结果完整而又真实地表达出来。
实验报告要求文字通顺，书写端正，数据齐全，图表规范，结果表示正确（包括误差），分析讨论客观认真。
实验报告内容主要包括下列几个部分：
实验名称 表示做什么实验。
实验目的 说明为什么做这个实验，做该实验要达到什么目的。
实验仪器 列出主要仪器的名称、型号、规格、精度等。
实验原理 阐明实验的理论依据，写出待测量计算公式的简要推导过程，画出有关的图（原理图如电路图）
数据记录 实验中所测得的原始数据要尽可能用表格的形式列出，正确表示有效数字和单位。
数据处理 根据实验目的对实验结果进行计算或作图表示，并对测量结果进行评定，计算不确定度，计算要写出主要的计算内容。
实验结果 扼要写出实验结论，要体现出测量数据、误差和单位。
问题讨论 讨论实验中观察到的异常现象及其可能的解释，分析实验误差的主要来源，对实验仪器的选择和实验方法的改进提出建议，简述自己做实验的心得体会，回答实验思考问题。
实验一伏安法测电阻
一、实验目的
1、按被测电阻大小、电压表和电流表内阻大小，掌握线性电阻元件V—A特性测量的基本方法。
2、学习减少伏安法中系统误差的方法。
二、实验仪器
DH6102型V—A特性实验仪
三、实验原理
在电阻器两端施加一直流电压，在电阻器内就有电流通过。
根据欧姆定律，电阻器电阻值为：
1-1
由欧姆定律公式1-1表述成下式：
以V为自变量，I为函数，作出
电压电流关系曲线，称为该元件的
V—A特性曲线。
对于线绕电阻、金属膜电阻等电
阻器，其电阻值比较稳定不变，其
V—A特性曲线是一条通过原点的直
线，即电阻器内通过的电流与两端施加的电压成正比，这种电阻器也称为线性电阻器。
当电流表内阻为0，电压表内阻无穷大时，下述两种测试电路都不会带来附加测量误差。
被测电阻
实际的电流表具有一定的内阻，记为RA；电压表也具有一定的内阻，记为Rv。
因为RA和Rv的存在，如果简单地用尺=二公式计算电阻器电阻值，必然带来附加测量误差。
为了减少这种附加误差，测量电路可以粗略地按下述办法选择：
A．当Rv>>R，RA和R相差不大时，宜选用电流表外接电路，此时R为估计值；
B．当R>>RA，Rv和R相差不大时，宜选用电流表内接电路，
C．当R>>RA，Rv>>R时，必须先用电流表内接和外接电路作试探性测试而定。
方法如下：
先按电流表外接电路接好测试电路，调节直流稳压电源电压，使两表指针都指向较大的位置，保持电源电压不变，记下两表值为U1，I1；将电路改成电流表内接式测量电路，记下两表值为U2，12。
将Ul，U2和Il，12比较，如果电压值变化不大，而12较Il有显著的减少，说明R是高值电阻。
此时选择电流表内接式测试电路为好；反之电流值变化不大，而U2较Ul有显著的减少，说明R为低值电阻，此时选择电流表外接测试电路为好。
当电压值和电流值均变化不大，此时两种测试电路均可选择（思考：
什么情况下会出现如此情况?
）
如果要得到测量准确值，就必须按下1—2，1—3两式，予以修正。
即电流表内接测量时，
1—2
电流表外接测量时，
1—3
上两式中：
R～被测电阻阻值，
U一电压表读数值，I一电流表读数值，A；
RA一电流表内阻值，RV—电压表内阻值，
电压表量程及所对应内阻值
电压表量程
2V
20V
电压表内阻
1MΩ
10MΩ
电流表量程及所对应内阻值
电流表量程
2mA
20mA
200mA
电流表内阻
100Ω
10Ω
1Ω
实验设计及实验
1）被测电阻器：
选择lKΩ电阻器，误差≤±0．5％
2）线路设计：
见图1—4
3）实验内容
A．电流表外接测试
B．电流表内接测试
C．按1—2式，1—3式修正计算结果
4）实验数据记录表格：
电流表内接测试
电流表外接测试
V（v）
I（A）
R直算值（Ω）
R修正值（Ω）
V（v）
I（A）
R直算值（Ω）
R修正值（Ω）
0
0
2
2
4
4
6
6
8
8
10
10
12
12
5、就下述提示写出实验总结
1）电阻器V—A特性概述
2）电流表内接外接两种测试方法，根据R=1KΩ，RV=lMΩ，RA=10Ω和测试误差，讨论两种测试方式优劣。
实验二二极管V—A特性曲线的研究
1、实验目的
通过对二极管V—A特性的测试，掌握锗二极管和硅二极管的非线性特点，从而为以后正确设计使用这些器件打下技术基础
2、V—A特性描述
对二极管施加下向偏置电压时，则二极管中就有诈向电流通过（多数载流子导电），随着正向偏置电压的增加，开始时，电流随电压变化很缓慢，而当正向偏置电压增至接近二极管导通电压时（锗为0．2V左右，硅管为0．7V左右），电流急剧增加，二极管导通后，电压的少许变化，电流的变化都很大。
对上述二种器件施加反向偏置电压时，二极管处于截止状态，其反向电压增加至该二极管的击穿电压时，电流猛增，二极管被击穿，在二极管使用中应竭力避免出现击穿观察，这很容易造成二极管的永久性损坏。
所以在做二极管反向特性时，应串入限流电阻，以防因反向电流过大而损坏二极管。
二极管V—A特性示意图2—1，2～2
3、实验设计
1）反向特性测试电路
二极管的反向电阻值很大，采用电流表内接测试电路可以减少测量误差。
因为二极管及电压表内阻都较大，采用稳压输出调节和分压器调节，容易得到所需的电压值。
2）正向特性测试电路
二极管在正向导道时，呈现的电阻值较小，拟采用电流表外接测试电路。
电源电压在0～10V内调节，变阻器开始设置200Ω，调节电源电压和变阻器电阻值，以得到所需电流值。
4、数据记录格式见表2—1，2—2
表2一l反向V—A曲线测试数据表
V（v）
0
2
4
6
8
10
12
14
I（uA）
电阻计算值（KΩ）
表2—2反向V—A曲线测试数据表
正向V-A曲线测试数据I（Ma）
0
1
2
3
4
5
6
7
V（v）
电阻直算值（KΩ）
电阻修正值（Ω）
注：
1）、电阻修正值按电流表外接修正公式1—3式计算所得。
2）、二极管正向电流不得超过20mA；。
本实验仪可提供0．2A电流，
5、就下述提示可实验讨论
1）二极管反向电阻和正向电阻差异如此大，其物理原理是什么?
2）在制定表2—2时，考虑到二极管正向特性严重非线性，电阻值变化范围很大，在表2—2中加一项“电阻修正值”栏，与电阻直算值比较，讨论其误差产生过程。
实验三静电场描绘
一、实验目的
1、了解模拟法描绘静电场的依据及描绘方法。
2、描绘几种静电场的等位线。
3、加深对静电场，稳恒电流场的了解。
二、实验仪器
THME-2型静电场描绘实验仪。
三、实验原理
静电场可以用场强E和电位U来表示。
由于场强是矢量，电位是标量，测定电位比测定场强容易实现，所以一般都先测绘静电场的等位线，然后根据电力线与等位线正交的原理，画出电力线，由等位线的间距确定电力线的疏密和指向，形象地反映出一个静电场的分布。
用稳恒电流场模拟静电场，为了保证具有相同或相似的边界条件，稳恒电流场应满足以下的模拟条件：
1、稳恒电流场中的电极形状和位轩必须和静电场中带电体的形状和位置相同或相似，这样可以用保持电极间电压恒定来模拟静电场中带电体上的电量恒定。
2、静电场中的导体在静电平衡条件下，其表面是等位面，表面附近的场强（或电力线）与表面垂直。
与之对应的稳恒电流场则要求电极表面也是等位面，且电流线与表面垂直。
为此必须使稳恒电流场中电极的电导率远大于导电介质的电导率；由于被模拟的是真空中或空气中的静电场，故要求稳恒电流场中导电介质的电导率要处处均匀；此外，模拟电流场中导电介质担忧导率还应远大于与其接触的其他绝缘材料的电导率，以保证模拟场边界条件完全相同。
实验上电极系统常选用金属材料，导电介质可选用水、导电纸或导电玻璃等。
若满足上述模拟条件，则稳恒电流场中导电介质内部的电流和静电场具有相同的电位分布规律。
水是电导率非常均匀，且可以方便的与电极作良好的电接触，所以，精确的测量数据目前还是以水作为电介质测出的。
因此，本实验采用水作为电介质。
实验中盛水的水槽称为电解槽。
根据槽内水深与电极尺大小的比较有“深槽”和“浅槽”之分。
“深槽”一般用来模拟三维空间的静电场，而“浅槽”则多用来模拟二维平面的电场分布。
我们知道，带电体周围的电场分由通常是三维空间的，但当电场的分布具有某种对称性时，只要清楚某一个二维平面上的电场分面，即可知其三维空间的电场分布。
如长直同轴线电缆内的平面内电场，长平行输电线间的电场等，这些场的特点是除靠近端部的区域外，在垂直于导线的任一平面内电场分布都是相同的。
所以只要模拟测量出垂直于导线的二维平面内的电场分布即可。
很多二维平面内的电场分布又是对称的，所以有时只要实际测绘一半的电场分布即可描绘出整个电场的分布。
用稳恒电流场模拟静电场时，如果用水作为电介质，若在电极间加上直流电压，则由于水中导电离子向电极附近的聚集和电极附近发生的电解反应，增大了电极附近的场强，从而破坏了稳恒电流场的静电场的相似性，使模拟失真。
因此使用水为电介质时，电极间应加交流电压。
当交流电压频率f适当时，过高则场中电极和导电介质间构成的电容不能忽略不计。
其次应使该电磁波的波长λ（λ=c/f）远大于电流场内相距最远两点间的距离，这样才能保证在每个时刻交流电流场和稳恒电流场的电位分布相似。
这种交流电流场称作“似稳电流场”。
通常f选为几百到上千Hz，低至50Hz，也可使用。
四、实验内容与步骤
（一）模拟长同轴电缆中的静电场
模拟同轴电缆内静电场晨，采用圆柱电极和水槽内的圆环电极（圆柱电极半径为a=1cm，圆环的内半径为b=3.8cm），电路连接如图所示，则有：
（1）
为计算方便，
（1）式常改写为
（2）
式中，a=1cm圆柱电极半径，b=13.8为圆环内半径，r为测量点与圆电极中心点的距离。
对于本实验用仪器，以cm作为长度单位，则因为制造时已使a=1cm，故
（2）式可简化为
（3）
四、实验步骤如下：
1、把圆柱电极放置水槽坐标板中心，圆环电极放置水槽周沿，用导电杆将它们压住。
2、倒入干净自来水，自来水的深度应和小圆柱上刻划的细线大致对齐。
3、通过调节三个水平调节归螺钉，并观察水平泡，将装置调水平。
4、通过水槽上的两个接线柱，给电极施加电压U0，并且把输邮的频率调节到200HZ左右，幅度为5～8V，以下各实验均相同。
5、坐标板上选取某个半径为r的同心圆，在该圆周上选取若干个测量点。
用探针测出这些点的电压Ur。
6、此圆即为长同轴电缆横截面中静电场的一个等位线。
此等位线应具有的理论电压可由式
（1）求出。
其上各点的实测电压与理论电压间的误差即为该次测量的误差。
7、换取不同半径的同心圆，重复以上测量。
8、各次实测电压误差的平均值，即为本次实验总的误差。
因探针具有0.1cm的半径，所以计算r时应差事去探针的半径。
9、依据电力线与等位线处处垂直的原理，描绘出静电场分布图。
五、数据记录表
长同轴电缆横截面上静电场等势线的测绘数据记录表
电势Ur=伏特
等势点
（xi，yi）
圆心
（x0，y0）
半径
不确定度
σr
r实
r理
六、实验注意事项
1、实验关应将水槽坐标板和电极等清洗干净。
2、水槽水平调节时应先让水平泡斜对面的支点悬空，调节其它三个支点，将水槽调节好水平后，再把悬空的支点落实。
3、测量应保持探针和水面垂直，否则会引起测量误差。
4、接线时应注意电源输出的红色插孔。
5、做除实验一以外的其它实验时，接到水槽里面的大圆环取出。
七、思考题
1、用稳恒电流场模拟静电场的依据是什么？
2、电力线与等位线有何关系？
电力线起于何处？
止于何处？
3、电极的电导率为什么要远大于电介质的是导率？
实验四、直流电位差计的原理和使用
一、实验目的
1．学习和掌握电位差计的补偿工作原理、结构和特点。
2．学习用十一线式电位差计来测量未知电动势或电位差的方法和技巧。
3．培养学生正确连接电学实验线路、分析线路和实验过程中排除故障的能力。
二、实验仪器
1．直流电位差计试验仪，试验仪集成了4.5V直流稳压电源、1.0186V标准电动势Exl、Ex2两个待测电动势、数字检流计G、0～999Ω可调变阻器（电阻箱）、保护电阻RP等。
2．滑线式十一线电位差计。
三、实验原理
1．补偿原理
在直流电路中，电源电动势在数值上等于电源开路时两电极的端电压。
因此，在测量时要求没有电流通过电源，测得电源的端电压，即为电源的电动势。
但是，如果直接用伏特表去测量电源的端电压，由于伏特表总要有电流通过，而电源具有内阻，因而不能得到准确的电动势数值，所测得的电位差值总是小于电位差真值。
为了准确的测量电位差，必须使分流到测量支路上的电流等于零，直流电位差计就是为了满足这个要求而设计的。
补偿原理就是利用一个电压或电动势去抵消另一个电压或电动势，其原理可用图
（1）来说明。
两个电源En和Ex正极对正极、负极对负极．其中En为可调标准电源电动势。
Ex为待测电源电动势，中间串联一个检流计G接成闭合回路。
如果要测电源Ex的电动势，可通过调节电源En，使检流计读数为0，电路中没有电流，此时表明Ex=En，Ex两端的电位差和En两端的电位差相互补偿，这时电路处于补偿状态。
若已知补偿状态下En的大小，就可确定Ex，这种利用补偿原理测电位差的方法称为补偿法，该电路称为补偿电路。
由上可知，为了测量Ex，关键在于如何获得可调节的标准电源，并要求这电源：
（1）便于调节；
（2）稳定性好，能够迅速读出其准确的数值。
2．电位差计原理
根据补偿法测量电位差的实验装置称为电位差计，其测量原理可分别用图
（2）和图（3）来说明。
图
（2）为电位差计定标原理图，其中ABCD为辅助工作回路，由电源E、限流电阻R、十一米长粗细均匀电阻丝AB串联成一闭合回路；MN为补偿电路，由待测电源En和检流流计G组成。
电阻箱R用来调节回路工作电流I的大小，通过调节I可以调整每单应长度电阻丝上电位差Vo的大小，M、N为电阻丝AB上的两个活动触点，可以在电阻丝上移动，以便从AB上取适当的电位差来与测量支路上的电位差补偿，它相当于补偿电路
（1）图中的En，提供了一个可变电源。
当回路接通时，根据欧姆定律可知，电阻丝AB上任意两点间的电压与两点间的距离成正比。
因此，可以改变MN的间距，使检流计G读数为0，此时MN两点间的电压就等于待测电动势Ex。
要测量电动势（电位差）Ex，必须分两步进行：
（1）定标
利用标准电源En高精确度的特点，使得工作回路中的电流I能准确地达到某一标定值I0，这一调整过程叫电位差计的定标。
本实验采用滑线式十一线电位差计，电阻RAB是11m长粗细均匀电阻丝。
根据定标原则按图
（2）连线，移动滑动触头M、N，将M、N之间的长度固定在Lmn上，调节工作电路中的电阻R，使补偿回路中的定标回路达到平衡，即流过检流计G的电流为零，此时：
在工作过程中，ABCD中工作电流保持不变，因电阻RAB是均匀电阻丝，令
（1）
那么有Es=V0Lmn。
（2）
很明显V0是电阻丝RAB上单位长度的电压降，称为工作电流标准化系数，单位是V／m。
在实际操作中，只要确定V0，也就完成了定标过程。
由
（2）式可知，当V0保持不变时（即ABCD中工作电流保持不变），可以用电阻丝MN两点间的长度Lnm，（力学量）来反映待测电动势Ex（电学量）的大小。
为此，必须确定V0的数值。
为使读数方便起见，取V0为0.1或0.2，……1.0V／m等数值。
由于
，而且电阻丝阻值稳定，所以只有调节ABCD中工作电流I0的大小，才能得到所需的V0值．这一过程通常称作工作电流标准化”。
（2）测量Ex
测量待测电动势Ex的过程与工作电流标准化的过程正好相反。
当上面定标结束后，按图3连线，调节M’、N’之间长度
，使M’、N’两点间电位差
等于待测电动势Ex，达到补偿，此时流过检流计G的电流为零。
即
结合式
（2）得
（3）
下面用例子说明定际和测量过程，标准电源En=1.0186V。
取V0=0.10000V／m。
定标：
为了保证RAB单位长度上的电压降V0=0.10000V/m，则要使电位差计平衡的电阻丝长度
，调节限流电阻R使Vmn=En，即检流计G的电流为0，此时RAB上的单位长度电压降就是0.10000V/m了。
测量：
经过定标的电位差计就可用来测量待测电位差，调节
使
和Ex达到补偿，
即Ex=
=V0
若=
14．864m，Ex=0.10000×14.864=1.4864（V）
四．仪器介绍．
本实验利用的是十一线电位差计．如图4所示。
它具有结构简单、直观、便于分析讨论等
优点．适宜学生用来做实验。
其中电阻丝AB长11m。
往复绕在木板的十一个接线插孔1、2、…、11上，每两个插孔间电阻丝长为1m．插头M可选插入孔1、2、…、11中任一孔．电阻丝BO附在带有毫米刻度的米尺上。
触头N可在它上面滑动。
电路中标准电源En和检流计G都不能通过较大电流，但在测量时，可能因接头MN之间的电位差Vmm和En（或Ex）相差较大，而使标准电源和检流计中通过较大电流，、因此在回路中串接一只大电阻RP，但这样就降低了电位差计的灵敏度，即可能接头MN之间电位差Vmn和E。
（或E，）还没有完全平衡，由于大电阻印的存在而使检流计无明显偏转。
因此，在电位差计平衡后，还应合上K2以提高电位差计的灵敏度，由于电阻RP起保护标准电源和检流计的作用，故称为保护电阻。
五．实验步骤
1．按图4连接线路。
R用电阻箱，注意电源正负极的连接。
2．定标。
取V0=0.1000V／m。
将MN间长度Lmn固定在10.186m处，断开K2，将K1倒向En，合上K0调整R使检流计大致指零，合上K2并反复调R，直到检流计再次指零。
此时，V0=0.1000V／m。
3．测量末知电动势Ex。
断开K2，将K1倒向Ex，合上K。
调整MN间长度Lmn，使检流计大致指零，合上K2并反复调MN之间距离，直到检流计再次指零，记下此时Lmn，则待测电池电动势Ex=V0Lmn。
4．取V0=0.2000V／m．则取Lmn=5.093m；重复步骤2，3。
六、电位差计的应用
电位差计所具有的优点，使得它在高精度测量电压方面得到广泛的应用。
1．量各种电动势．特别是微小电动势。
例如温差电偶的温差电动势。
各种电解液、电极组成的化学电池电动势，霍尔元件的霍尔电动势等。
2．校准伏特计。
另配一个大小合适输出可调的待测电动势，将伏特计并接在待测电动势两端，调节待测电动势输出电压，同时记录直流电位差计和伏特计的读数Ex和V，则△V=ExV，△V-V曲线即为伏特计的校正曲线。
七、注意事项
1．一线电位差计实验板上的电阻丝不要任意去拨动，以免影响电阻丝的长度和粗细均匀。
2．本实验仪中的标准电源，不允许通过大电流，否则将使电动势下降．与标准值不符：
不允许用一般电压表或多用表去测量它的电动势，更不允许把它作为电源使用，否则会损坏该标准电源。
八、思考题
1．为什么用伏特计测量电位差时，所得之值必小于末接伏特计时的初始值?
用什么方法可以测得精确的电位差?
2．为什么要进行电位差计工作电流标准化的阑节，V0值的物理意义是什么?
V0值选取的根据是什么?
当工作电流标准化后．在测量Ex时．电阻箱为什么不能再调节?
3．要使电位差计能达到电位补偿的必要条件是什么?
为什么?
若工作电源电动势小于待测电源电动势将产生什么结果?
为什么?
4．决定十一线电位差计准确度的因素是什么?
实验五、用惠斯通电桥测量电阻
一、实验目的
（1）了解惠斯通电桥的结构，掌握惠斯通电桥的工作原理；
（2）掌握用滑线式惠斯通电桥测量电阻；
（3）掌握使用箱式直流单臂电桥测量电阻。
二、实验仪器
QJ24型箱式直流单臂电桥，直流稳压电源，滑线变阻器（0～100Ω或0～200Ω），ZX21型旋转式电阻箱，待测电阻三
升级会员 