實驗十一靈敏電流計特性的研究實驗目的1．了解靈敏電流計的基本結構和工作原理。2．掌握測量靈敏電流計內阻和靈敏度的方法。3．學會正確使用靈敏電流計。實驗儀器靈敏電流計，直流穩壓電源，滑線變阻器，電阻箱，標準電阻，直流電壓表等。實驗原理靈敏電流計是一種重要的電學測量儀器，它的靈敏度很高，用來檢測閉合回路中的－－10

－－差電動勢等，更常用作檢流計，如作為電橋、電位差計中的示零器。常見的有指針式、壁架式和光點式等。本實驗研究的是光點式靈敏電流計。1．光點式靈敏電流計的基本結構和工作原理光點式靈敏電流計的結構如圖4－11－1所示。在永久磁鐵之間有一圓柱形軟鐵芯，使空隙中的磁場呈輻射狀分布。用張絲將一多匝矩形線圈垂直懸掛于空隙中，在線圈下端裝置了一平面小鏡。從光源發出的一束定向聚焦光首先投射在小鏡上，反射后射到凸面鏡上，再反射到長條平面鏡上，最后反射到弧形標度尺上，形成一個中間有一條黑色準絲像的方形光斑。當有微弱電流通過線圈時，此線圈（及小鏡）在電磁力矩作用

矩形線圈平面鏡

張絲

A下以張絲為軸而偏轉，于是小鏡的反射光也改變方向。這個反射光起了電流計指針的作用。由于這種裝置沒有軸承，消除了難以避免的機

光斑

凸面鏡

B

圓柱形鐵芯小鏡械摩擦；又由于發射光線多次來回反射，增加了“光指針”的長度，使在同樣轉角下，“光指針針尖”（光斑）所掃過的弧長增加，所以這種電流計的靈敏度得到大大提

光源

圖4－11－1

標尺高。由此可知，光點式靈敏電流計是磁電式電表的一種。因此，通過電流計線圈的電流Ig與線圈的偏角θ成正比，由圖4－11－2可知，線圈（及小鏡）的偏轉角θ又與光斑的位移d成正比，所以，通過線圈的電流Ig與光斑的位移d成正比。即Ig=Kd

（4－11－1）微弱電流（約106—10A）或微弱電壓（約103—106V），如光電流、生理電流、溫微弱電流（約106—10A）或微弱電壓（約103—106V），如光電流、生理電流、溫式中的比例系數K稱為電流計常數，單位是安培／毫米，也就是光斑偏轉1毫米所對應的電流值，它的倒數Si

1K

dIg

（4－11－2）稱為電流計的電流靈敏度，顯然，Si越大（K越小），電流計就越靈敏。要定量的測量電流，就必須知道K或Si的數值。一般在電流計的銘牌上標明了K或Si的數值，但由于長期使用、檢修等原因，其數值往往有所改變，所以使用電流計定量測量之前，必須測定K或Si的數值。

θ2．靈敏電流計線圈的三種運動狀態在使用靈敏電流計時我們會發現，某些情況下，當電流發生變化后，光標會來回擺動很久才逐漸停在新的平衡位置上，這樣讀

L

θ

θ數很浪費時間。一般的指針式電表，內部裝有電磁阻尼線圈，通電流后指針很快擺到平衡位置，上述問題不會引人注意。但靈敏電流計的阻尼問題要求使用者在外部線路解決，這就需要研究一下如何用電磁阻尼控制

0圖4－11－2

d線圈的運動狀態。由電磁感應定律可知，閉合線圈在磁場中轉動時因切割磁力線而產生感生電動勢和感生電流。這個感生電流也要受磁場作用，即線圈受到一個阻礙線圈轉動的電磁阻尼力矩M作用，由電流計內阻Rg和外電阻R外組成的閉合回路總電阻和M成反比

θM∝

1RgR外

①由此可見，可以通過改變R外的大小來控θ0制電磁阻尼力矩M的大小。M不同，線圈的運動狀態也不同，按其性質可分為三種不同的

②

③狀態：（1）當R外較大時，M較小，線圈作振幅逐漸衰減的振蕩。也就是說，線圈偏轉到相應

0

圖4－11－3

t位置θ0處不會立即停止不動，而是越過此位置，并以此位置為中心來回振蕩，需較長時間才能停在平衡位置θ0處。R外越大，M越小，振蕩時間也就越長。這種狀態稱為阻尼振蕩狀態或欠阻尼狀態，如圖4－11－3中曲線①所示。（2）當R外較小時，M較大，線圈緩慢地趨向于新的平衡位置，也不會越過此平衡位置。R外越小，M越大，達到平衡位置的時間也越長，這種狀態稱為過阻尼狀態，如圖4－11－3中曲線③所示。（3）當R外適當時，線圈能很快達到平衡位置而又不發生振蕩，處于欠阻尼與過阻尼的中間狀態。這種狀態稱為臨界狀態，如圖4－11－3中曲線②所示，這時對應的R外叫做臨界外電阻R外臨，R外臨的數值標在銘牌上或說明書中。3．測定靈敏電流計的內電阻Rg和靈敏度Si測量電路如圖4－11－4，K2

①合①，電源電壓經R0分壓后由伏特表測出，再經Ra、Rb第二次分

Ra

②K2

R壓加到電阻箱R和電流計G上，使電流計偏轉一定的數值。Ra取幾千歐姆，Rb取1歐姆，（Rg＋R）一般選取幾百歐姆。在

E

K1

R0V

R

RgG

K3計算Rb兩端的電壓V’時，因為（Rg＋R）>>Rb，且Ra>>Rb，R’b是bc間的電阻應為Rb與Rg＋R的并聯值，故

圖4－11－4V′

Rb′RaRb′

V≈

RbRaRb

RRa通過電流計的電流IgK?d≈

V′RRg

RVRaRRg

（4－11－3）測量采用等偏轉法，即當V＝V1時，調R＝R1，使電流計偏轉至一定的數值d（例如偏50—60毫米），以后改變電壓至V2同時調節R使電流計偏轉數不變。這樣可取得一系列V與R的對應數據，即：V＝V1，V2，V3，V4，…，R＝R1，R2，R3，R4，…，為了減少測量誤差，伏特計和電流計的偏轉數都不宜太小，而R值不宜太大。故V值的選取可以從0.6—0.7V開始，以后每隔0.1—0.2V讀一次數。利用測量的這些數據，即可求出Rg和Si的數值。較簡單的辦法是把數據分成兩組，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）式求出電流計常數K，即可得到靈敏度Si。較嚴格的辦法是用回歸法處理數據，由（4－11－3）式得V≈bV≈b?V≈bV≈b?R

RbIgRa

V?Rg這實際上就是一元線性回歸，利用一元線性回歸公式即可求出Rg。儀器描述AC15型電流計的面板如圖4－11－5所示。圖中零點調節為粗調旋鈕，固定在標尺上的手柄為零點細調，左右移動它可使光斑準確對準零點。面板的左上部有一轉換旋鈕（分流器），當它指“×1”檔時，靈敏度最高，指“×0.1”和“×0.01”檔時，靈敏度分別降低1/10和1/100，如標度盤上找不到光點影象時，可將電流計開關置于直接處，并將電流計輕微擺動，如有光點影象掃掠時，則可調節零點調節器，將光點調至標度盤上，當光斑晃動不止或搬動檢流計時，應將旋鈕指向“短路”位置，以便保護電流計的50

40

30

20

10

0

10

20

30

40

50零點細調短路

直接

×1

×0.1×0.01

AC15

220V

6V零點調節分流器－

＋圖4－11－5張絲。實驗內容1．測定電流計的內阻Rg和靈敏度Si（1）調節AC15型電流計的旋鈕指“×1”檔，調節零點調節器，使光斑指零。（2）按圖4－11－4連接電路，閉合開關K1，將開關K2合向①，按照測定內阻Rg方法進行測量。（3）求出Rg和Si。2．觀察靈敏電流計線圈的三種運動狀態電流計的銘牌上給出了該電流計的臨界外電阻值。根據這個數，把R拔到2R外臨，令K2合向①，使電流計有60毫米的偏轉，將K2從①迅速地合向②時，觀察光點回零時的運動方式，判斷屬