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电磁学实验基本知识电磁学是现代科学技术的重要组成部分,电磁测量也是现代生产和科学研究中应用最广泛的测量手段,由此发展起来的电工技术和电子技术广泛应用于农业、工业、交通、通讯、国防以及科学技术的各个领域,并且已经深入到家用设备,对国计民生有十分重要的意义掌握电磁学实验研究的基本方法已成为各学科领域的基本要求电磁学从其建立之初就是一门以实验为基础的科学很早以前,人们就知道毛皮擦过的琥珀能吸引微小的物体后来,库仑定律和安培定律等实验定律的提出,促使电磁学逐渐形成完整的理论体系现代的电磁学实验尽管所用仪器设备有些已经很复杂、精密,但仍然是人们观察研究电磁现象,学习理论知识的重要途径之一电磁学实验包括基本电磁量的测量及主要电磁测量仪器仪表的工作原理和使用方法两部分由于不同性质的电磁量测量方法有很大差异,所用仪器也各不相同下面简单介绍电磁测量的方法、电磁学实验中常用的一些仪器及电磁学实验中一般应遵循的操作规则
一、电磁学实验中常用仪器简单介绍1.电源
(1)直流电源直流稳压电源直流稳压电源的特点是内阻小,输出功率较大,电压稳定性好,而且输出电压连续可调,使用十分方便,它的主要参数是最大输出电压和最大输出电流,如DH1718C型直流稳压电源最大输出电压为30V,最大输出电流为5A直流稳流电源直流稳流电源的特点是内阻很大可在一定的负载范围内,输出稳定的电流,并可调电流大小干电池电动势约为
1.5V,内阻小,短时间内电压稳定性好,但是使用时间长了,电动势下降得很快,而且内阻也随之增大蓄电池铅蓄电池的电动势约为2V左右,输出电压比较稳定,储藏的电能也比较大,但需经常充电,比较麻烦
(2)交流电源交流电源一般使用50Hz的单相或三相交流电市电每相220V,这是指的有效电压,峰值电压为311V如果要求用高于或低于220V的单相交流电压,可使用变压器将电压升高或降低至所需要的值在使用交流电时,应注意电压高于36V的为危险电压,触及人身会有生命危险注意不论使用哪种电源,都要注意安全,千万不要接错,而且切忌电源两端短接使用时注意不得超过电源的额定输出功率,对直流电源要注意极性的正负,常用“红”端表示正极,“黑”端表示负极,对交流电源要注意区分相线、地线和零线2.电表电表的种类很多,在电学实验中,以磁电式电表应用最广,实验室常用的是便携式电表磁电式电表具有灵敏度高,刻度均匀,便于读数等优点,适合于直流电路的测量,其结构可以简单地用图4-0-1表示,永久磁铁的两个极上连着带圆孔的“极掌”,极掌之间装有圆柱形软铁制的铁芯,极掌和铁芯之间的空隙有很强的均匀磁场,磁力线以圆柱的轴线为中心呈均匀辐射状且垂直于软铁铁芯的圆柱面在圆柱形铁芯和极掌间空隙处放有长方形线圈,两端固定了转轴和指针,当线圈中有电流通过时,在电磁力矩的作用下发生偏转,同时固定在转轴上的游丝产生反方向的扭力矩当两者达到平衡时,线圈停在某一位置,偏转角的大小与通入线圈的电流成正比,因此根据偏转的角度就可以确定通过的电流大小,而且电流方向不同,线圈的偏转方向也不同下面具体介绍几种磁电式电表(电表面板符号见附录)
(1)灵敏电流计(检流计)灵敏电流计的特征是指针零点在刻度中央,便于检测不同方向的直流电流灵敏电流计常用在电桥和电位差计的电路中作平衡指示器,用来检测电路中有无电流,故又称检流计可测量的电流通常为几微安到几十个微安常有检流计有数字检流计、光斑反射式检流计和指针式检流计我们实验室中主要是指针式和数字检流计指针式检流计在调零后没有电流通过时,指针指零,有微弱电流时将根据电流流向作相应的偏转,大电流容易烧毁检流计,因此有些指针式检流计装有常开按键开关,自由状态时,检流计断开,指针指向零点,按下开关才接入电流用于检测有无电流,既安全又方便数字检流计没有指针,只能通过显示数字的正负来判断电流流向,显示为零时表示检流计几乎没有电流通过
(2)直流电压表直流电压表是用来测量直流电路中两点之间电压的根据电压大小的不同,可分为毫伏表(mV)和伏特表(V)等电压表是由表头串联一个适当大的降压电阻而构成的,如图4-0-3所示,它的主要规格是1)量程即指针偏转满度时的电压值例如伏特表量程为0—
7.5V—15V—30V,表示该表有三个量程,第一个量程在加上
7.5伏电压时指针偏转满度,第
二、三个量程则表示加上15伏、30伏电压时指针偏转满度2)内阻即电表两端的电阻,阻值一般都很大,但是同一伏特表不同量程内阻也不同例如0—
7.5V—15V—30V伏特表,它的三个量程内阻分别为1500Ω,3000Ω,6000Ω,但因为各量程的每伏欧姆数都是200Ω/V,所以伏特表内阻一般用Ω/V统一表示,可用下式计算某量程的内阻内阻=量程×每伏欧姆数
(3)直流电流表直流电流表是用来测量直流电路中的电流的根据测量电流量程大小的不同,可分为安培表(A)、毫安表(mA)和微安表(μA),电流表是由表头的两端并联一个适当的分流电阻而构成的,如图4-0-4所示它的主要规格是1)量程即指针偏转满度时的电流值,安培表和毫安表一般都是多个量程2)内阻一般安培表的内阻在
0.1Ω以下毫安表、微安表的内阻可从100—200Ω到1000—2000Ω之间
(4)使用直流电流表和电压表应注意1)电表的连接及正负极不可接反直流电流表应串联在待测电路中,并且必须使外电流从电流表的“+”极流入,从“-”极流出直流电压表应并联在待测电路中,并应使电压表的“+”极接电路中高电位端,“-”极接低电位端2)电表的零点调节使用电表之前,应先断开电路检查电表的指针是否指零,如不指零,应小心调节电表面板上的零点调节螺丝,使指针指向零点位置3)电表的量程实验时应根据被测电流或电压的大小,选择合适的量程如果量程选得太大,则指针偏转太小,会使测量误差太大量程选得太小,则过大的电流或电压会使电表损坏在不知道测量值范围的情况下,应先试用最大量程,根据指针偏转的情况再改用合适的量程4)视差问题读数时应在电表的正上方使视线垂直于电表的刻度盘读数,以免产生视差一些较好的电表,在刻度线旁边装有平面反射镜读数时,应使指针和它在平面镜中的象相重合,这样才能保证没有视差
(5)电表误差1)测量误差电表测量产生的误差主要有两类仪器误差由于电表结构和制作上的不完善所引起,例如轴承摩擦,分度不准,刻度尺划的不精密,游丝的变质等原因的影响,使得电表的指示与其值有误差附加误差这是由于外界因素的变动对仪表读数产生影响而造成的外界因素指的是温度、电场、磁场等当电表在正常情况下(符合仪表说明书上所要求的工作条件)运用时,不会有附加误差,因而测量误差可只考虑仪器误差2)电表的测量误差与电表等级的关系各种电表根据仪器误差的大小共分为七个等级,即
0.1,
0.2,
0.5,
1.0,
1.5,
2.5,
5.0根据仪表的级数可以确定电表的测量误差例如
0.5级的电表表明其相对额定误差为
0.5%它们之间的关系可表示如下仪器误差=量程×仪表等级%例如用量程为
7.5伏的伏特表测量时,表上指针的示数为
6.39伏,若表的等级为
0.5级,读数结果应如何表示?由于用镜面读数较准确,可忽略读数误差,因此绝对误差只用仪器误差读数结果为V=(
6.39±
0.04)伏3)根据电表的绝对误差确定有效数字例如,用量程为15伏,
0.5级的伏特表测量电压时,应读几位有效数字?根据电表的等级数和所用量程可求出ΔV=15×
0.5%=
0.08(伏)故读数值时只需读到小数点后两位,以下位数的数值按数据的舍入规则处理6数字仪器数字仪表是一种新型的电测仪表,在测量原理、仪器结构和操作方法上都与指针式电表不同,数字仪表具有灵敏度高、准确度高、测量速度快的优点常有的有数字电压表和电流表,其主要规格是量程、内阻和精确度数字电压表内阻很高,一般在MΩ以上,要注意的是其内阻不能用统一的每伏欧姆数表示,说明书上会标明各量程对应的内阻数字电流表具有内阻低的特点在实验中一般根据数字仪器的准确度和精度,去数字仪器的分度值为数字仪器的仪器误差3.电阻实验室常用的电阻除了有固定阻值的定值电阻以外,还有电阻值可变的电阻,主要有电阻箱和滑线变阻器
(1)电阻箱电阻箱的内部有一套用锰铜线绕成的标准电阻按图4-0-5(a)联接,它的外形如图4-0-5(b)所示旋转电阻箱上的旋钮,可以得到不同的电阻值在图4-0-5(b)中,每个旋钮的边缘都标有数字
0、
1、
2、…9,各旋钮下方的面板上刻×
0.
1、×
1、×
10、…、×10000的字样,称为倍率当每个旋钮上的数字旋到对准其所示倍率时,用倍率乘上旋钮上的数值并相加,即可得到实际使用的电阻值如图4-0-5所示的电阻值为R=8×10000+7×1000+6×100+5×10+4×1+3×
0.1=
87654.3(Ω)电阻箱的规格是1)总电阻即最大电阻,如图4-0-5所示的电阻箱总电阻为
99999.9Ω2)额定功率即为电阻箱每个电阻的功率额定值,实验室中一般电阻箱的额定功率为
0.25W,可以由它计算额定电流,例如在用100Ω档的电阻时,允许的最大电流为,相应各档容许通过的电流值如下列表旋钮倍率×
0.1×1×10×100×1000×10000容许负载电流安
1.
50.
50.
150.
050.
0150.0053)电阻箱的等级电阻箱根据其误差的大小分为
0.02,
0.05,
0.1,
0.2等这些等级,它表示电阻值相对误差的百分数例如
0.1级,当电阻为
98654.3Ω时,其误差为
87654.3×
0.1%≈
98.6Ω这也称为电阻箱的标称误差一般电阻箱面板上方还有0,
0.9Ω,
9.9Ω,
9999.9Ω四个接线柱,0分别与其余三个接线柱构成电阻箱在使用过程中的三种不同调整范围使用时,可根据需要选择适当的范围,如使用电阻小于10Ω时,可选0—
9.9Ω两接线柱,这种接法可避免电阻箱其余部分的接触电阻对测量结果的影响,不同级别的电阻箱,规定允许的接触电阻标准也不相同例如
0.1级规定每个旋钮的接触电阻不得大于
0.002Ω,在电阻较大时,它带来的误差微不足道,但在电阻值较小时,这部分误差却有一定的影响比如一个六钮电阻箱,当测量的阻值为
0.5Ω时六个接触点带来的接触电阻所引起的相对误差为,为了减少接触电阻,一些电阻箱增加了小电阻的接头如图4-0-5所示的电阻箱,当电阻小于10Ω时,用0和
9.9Ω接头可使电流只经过×1Ω、×
0.1Ω这两个旋钮,即把接触电阻限制在2×
0.002Ω=
0.004Ω以下;当电阻小于1Ω时,用0和
0.9接头可使电流只经过×
0.1Ω这个旋钮,接触电阻就小于
0.002Ω电阻箱的总误差为标称误差和接触电阻误差之和
(2)滑线变阻器滑线变阻器的结构如图4-0-6所示,电阻丝密绕在绝缘瓷管上,电阻丝上涂有绝缘物,各圈电阻丝之间相互绝缘电阻丝的两端与固定接线柱A、B相联,A、B之间的电阻为总电阻滑动接头C可以在电阻丝AB之间滑动,滑动接头与电阻丝接触处的绝缘物被磨掉,使滑动接头与电阻丝接通C通过金属棒与接线柱C’相连,改变C的位置,就改变AC或BC之间的电阻值使用滑线变阻器,虽然不能准确地读出其电阻值的大小,但却能近似连续地改变电阻值滑动变阻器的规格1)全电阻AB间的全部电阻值2)额定电流滑线变阻器允许通过的最大电流电路中滑线变阻器有两种用法1)限流电路如图4-0-7所示,A、B两接线柱使用一个,另一个空着不用当滑动C时,AC间电阻改变,从而改变了回路总电阻,也就改变了回路的电流(在电源电压不变的情况下)因此滑线变阻器起到了限制(调节)线路电流的作用为了保证线路安全,在接通电源前,必须将C滑至B端,使RAC有最大值,回路电流最小然后逐步减小RAC值,使电流增至所需要的数值2)分压电路如图示4-0-8所示,滑线变阻器两端A、B分别与开关K两接线柱相连,滑动头C和一固定端A与用电部分连接接通电源后,AB两端电压VAB等于电源电压E输出电压VAC是VAB的一部分,随着滑动端C位置的改变,VAC也在改变当C滑至A时,输出电压VAC=0;当C端滑至B时,VAC=VAB,输出电压最大所以分压电路中输出电压可以调节在从零到电源电压之间的任意数值上,为了保证安全,接通电源前,一般应使输出电压VAC为零,然后逐步增大VAC,直至满足线路的需要4.开关开关常用于断开、接通或者变换电路,按照开关的刀数(即接通或断开电路的金属杆数目)及每把刀的掷数(每把刀可以形成的通路数)可以分为单刀单掷开关、单刀双掷开关、双刀双掷开关、双刀单掷开关及换向开关等开关的符号如图4-0-9所示其功能由图中也不难看出,这里就不在作详细介绍
三、电磁学实验操作规程1.准备做实验前要做到认真预习,并理解掌握实验所用的原理及实验内容实验时,先要弄清楚本次实验仪器的规格及使用方法,切不可在不清楚的情况下接通电路2.连线要在理解电路结构的基础上连线例如,先找出主回路,由最靠近电源正极的一端开始连线(开关都要断开),连完主回路再连支路一般在电源正极、高电位处用红色或浅色导线连接,电源负极、低电位处用黑色或深色导线连接3.检查电路连接好后,先复查电路连接是否正确,再确认可调电源电压输出是否为最小状态,最后检查其他的比如开关是否断开,量程是否正确,电表和电源正负极是否接错,电阻箱数值是否正确,变阻器的滑动端(或电阻箱各档旋钮)位置是否正确等等,直到一切都做好,再请教师检查经同意后,再接上电源4.通电一切都准备好后接通电源,缓慢改变电源电压输出或者调节滑动电阻器,达到实验所需状态实验过程中需要暂停时,应断开开关,若需要更换电路,应将电路中各个仪器拔到安全位置然后断开开关,拆去电源,再改换电路,经教师重新检查后,才可接电源继续实验5.实验实验时做到细心操作,认真观察,及时记录原始实验数据实验过程中不可用手接触电路中裸露的部分6.安全进入实验室就要做到爱护仪器和注意安全在实验正式开始操作之前不可乱动仪器不管电路中有无高电压,要养成不接触电路中导体的习惯7.归整实验做完,应将电路中仪器拔到安全位置,电压输出调至最小,断开开关,经教师检查原始实验数据后再拆线,拆线时应先拆去电源,最后将所有仪器摆正,并清理试验台上无关的东西,再离开实验室极掌零点调整螺丝永久磁铁游丝指针标度盘1086420线圈图4-0-1RP图4-0-4sRP图4-0-3GG图4-0-5(b)×
1000098765432100.9Ω
99999.9Ω
9.9Ω0×1000×100×10×1×
0.1图4-0-5(a)
9876543210987654321098765432109876543210987654321010234567891023456789102345678910234567891023456789102345678999999.9Ω
9.9Ω
0.9Ω0×10000×1000×10×100×
0.1×1ACBVC’ABC’CEmAVmAR负载RAABBCCK+++---图4-0-7图4-0-8KE图4-0-9单刀单掷开关双刀双掷开关双刀单掷开关单刀双掷开关换向开关。