灵敏电流计特性的研究

实验十一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－－10

－－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。1．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4－11－1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

矩形线圈平面镜

张丝

A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

光斑

凸面镜

B

圆柱形铁芯小镜械摩擦；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

光源

图4－11－1

标尺高。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4－11－2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

（4－11－1）微弱电流（约106—10A）或微弱电压（约103—106V），如光电流、生理电流、温微弱电流（约106—10A）或微弱电压（约103—106V），如光电流、生理电流、温式中的比例系数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Si

1K

dIg

（4－11－2）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。

θ2．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

L

θ

θ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

0图4－11－2

d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

θM∝

1RgR外

①由此可见，可以通过改变R外的大小来控θ0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

②

③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

0

图4－11－3

t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4－11－3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4－11－3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4－11－3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4－11－4，K2

①合①，电源电压经R0分压后由伏特表测出，再经Ra、Rb第二次分

Ra

②K2

R压加到电阻箱R和电流计G上，使电流计偏转一定的数值。Ra取几千欧姆，Rb取1欧姆，（Rg＋R）一般选取几百欧姆。在

E

K1

R0V

R

RgG

K3计算Rb两端的电压V’时，因为（Rg＋R）>>Rb，且Ra>>Rb，R’b是bc间的电阻应为Rb与Rg＋R的并联值，故

图4－11－4V′

Rb′RaRb′

V≈

RbRaRb

RRa通过电流计的电流IgK⋅d≈

V′RRg

RVRaRRg

（4－11－3）测量采用等偏转法，即当V＝V1时，调R＝R1，使电流计偏转至一定的数值d（例如偏50—60毫米），以后改变电压至V2同时调节R使电流计偏转数不变。这样可取得一系列V与R的对应数据，即：V＝V1，V2，V3，V4，…，R＝R1，R2，R3，R4，…，为了减少测量误差，伏特计和电流计的偏转数都不宜太小，而R值不宜太大。故V值的选取可以从0.6—0.7V开始，以后每隔0.1—0.2V读一次数。利用测量的这些数据，即可求出Rg和Si的数值。较简单的办法是把数据分成两组，例如V1和V5、V2和V6……，由（4－11－3）式得V1R1Rg

V5R5Rg解之得

Rg

V1R5−V5R1V5−V1求出Rg值取平均后代回（4－11－3）式求出电流计常数K，即可得到灵敏度Si。较严格的办法是用回归法处理数据，由（4－11－3）式得V≈bV≈b⋅V≈bV≈b⋅R

RbIgRa

V−Rg这实际上就是一元线性回归，利用一元线性回归公式即可求出Rg。仪器描述AC15型电流计的面板如图4－11－5所示。图中零点调节为粗调旋钮，固定在标尺上的手柄为零点细调，左右移动它可使光斑准确对准零点。面板的左上部有一转换旋钮（分流器），当它指“×1”档时，灵敏度最高，指“×0.1”和“×0.01”档时，灵敏度分别降低1/10和1/100，如标度盘上找不到光点影象时，可将电流计开关置于直接处，并将电流计轻微摆动，如有光点影象扫掠时，则可调节零点调节器，将光点调至标度盘上，当光斑晃动不止或搬动检流计时，应将旋钮指向“短路”位置，以便保护电流计的50

40

30

20

10

0

10

20

30

40

50零点细调短路

直接

×1

×0.1×0.01

AC15

220V

6V零点调节分流器－

＋图4－11－5张丝。实验内容1．测定电流计的内阻Rg和灵敏度Si（1）调节AC15型电流计的旋钮指“×1”档，调节零点调节器，使光斑指零。（2）按图4－11－4连接电路，闭合开关K1，将开关K2合向①，按照测定内阻Rg方法进行测量。（3）求出Rg和Si。2．观察灵敏电流计线圈的三种运动状态电流计的铭牌上给出了该电流计的临界外电阻值。根据这个数，把R拔到2R外临，令K2合向①，使电流计有60毫米的偏转，将K2从①迅速地合向②时，观察光点回零时的运动方式，判断属