实验十三 灵敏电流计特性的研究.doc

实验十三 灵敏电流计特性的研究 【实验目的】 1．了解灵敏电流计的基本结构和工作原理。 2．掌握测量灵敏电流计内阻和灵敏度的方法。 3．学会正确使用灵敏电流计。 【实验仪器】 灵敏电流计，直流稳压电源，滑线变阻器，电阻箱，标准电阻，直流电压表等。 【实验原理】 灵敏电流计是一种重要的电学测量仪器，它的灵敏度很高，用来检测闭合回路中的微弱电流（约10 -6—10-10 A）或微弱电压（约 10- 3—10- 6V），如光电流、生理电流、温差电动势等，更常用作检流计，如作为电桥、电位差计中的示零器。常见的有指针式、壁架式和光点式等。本实验研究的是光点式灵敏电流计。 光点式灵敏电流计的基本结构和工作原理 光点式灵敏电流计的结构如图 2.13.1 所示。在永久磁铁之间有一圆柱形软铁芯，使空隙中的磁场呈辐射状分布。用张丝将一多匝矩形线圈垂直悬挂于空隙中，在线圈下端装置了一平面小镜。从光源发出的一束定向聚焦光首先投射在小镜上，反射后射到凸面镜上，再反射到长条平面镜上，最后反射到弧形标度尺上，形成一个中间有一条黑色准丝像的方形光斑。当有微弱电流通过线圈时，此线圈（及小镜）在电磁力矩作用下以张丝为轴而偏转，于是小镜的反射光也改变方向。这个反射光起了电流计指针的作用。由于这种装置没有轴承，消除了难以避免的机械摩擦；又由于发射光线多次来回反射，增加了“光指针”的长度，使在同样转角下，“光指针针尖”（光斑）所扫过的弧长增加，所以这种电流计的灵敏度得到大大提高。由此可知，光点式灵敏电流计是磁电式电表的一种。因此，通过电流计线圈的电流Ig 与线圈的偏角θ成正比，由图 2.13.2 可知，线圈（及小镜）的偏转角θ又与光斑的位移 d 成正比，所以，通过线圈的电流 Ig 与光斑的位移d成正比。 即Ig=Kd　　　　　　　　　 （2.13.1）　 式中的比例系数 K 称为电流计常数，单位是安培／毫米，也就是光斑偏转 1 毫米所对应的电流值，它的倒数： （2.13.2） 称为电流计的电流灵敏度，显然，Si 越大（K 越小），电流计就越灵敏。 要定量的测量电流，就必须知道K或Si的数值。一般在电流计的铭牌上标明了K或Si 的数值，但由于长期使用、检修等原因，其数值往往有所改变，所以使用电流计定量测量之前，必须测定 K 或 Si 的数值。 2．灵敏电流计线圈的三种运动状态 在使用灵敏电流计时我们会发现，某些情况下，当电流发生变化后，光标会来回摆动很久才逐渐停在新的平衡位置上，这样读数很浪费时间。一般的指针式电表，内部装有电磁阻尼线圈，通电流后指针很快摆到平衡位置，上述问题不会引人注意。但灵敏电流计的阻尼问题要求使用者在外部线路解决，这就需要研究一下如何用电磁阻尼控制线圈的运动状态。 由电磁感应定律可知，闭合线圈在磁场中转动时因切割磁力线而产生感生电动势和感生电流。这个感生电流也要受磁场作用，即线圈受到一个阻碍线圈转动的电磁阻尼力矩M 作用，由电流计内阻Rg 和外电阻R外组成的闭合回路总电阻和M 成反比： （2.13.3） 由此可见，可以通过改变R外的大小来控制电磁阻尼力矩M 的大小。M 不同，线圈的运动状态也不同，按其性质可分为三种不同的状态： （1）当R外较大时，M 较小，线圈作振幅逐渐衰减的振荡。也就是说，线圈偏转到相应位置θ0处不会立即停止不动，而是越过此位置，并以此位置为中心来回振荡，需较长时间才能停在平衡位置θ0处。 R外越大，M 越小，振荡时间也就越长。这种状态称为阻尼振荡状态或欠阻尼状态，如图2.13.3中曲线1所示。 （2）当R外较小时，M 较大，线圈缓慢地趋向于新的平衡位置，也不会越过此平衡位置。R外越小，M 越大，达到平衡位置的时间也越长，这种状态称为过阻尼状态，如图 2.13.3 中曲线3所示。 （3）当R外适当时，线圈能很快达到平衡位置而又不发生振荡，处于欠阻尼与过阻尼的中间状态。这种状态称为临界状态，如图2.13.3中曲线2所示，这时对应的R外叫做临界外电阻R外临，R外临的数值标在铭牌上或说明书中。 3．测定灵敏电流计的内电阻Rg 和灵敏度Si. 测量电路如图 2.13.4，K2合1，电源电压经R0分压后由伏特表测出，再经R2、R3第二次分压加到电阻箱R1 和电流计G上，使电流计偏转一定的数值。R2取几万欧姆，R3取1