摘 要:灵敏电流计是一种磁电式电流计,它的灵敏度特别高,可以用来检测闭合回路中的微弱电流(10-6～10-10A)或微弱电压(10-3～10-6V)。利用其自己高灵敏度的特点,在光电流检测,平衡电桥,电位差计等实验中,被广泛使用,但是针对《灵敏电流计特性研究》实验过程中存在的疑难点,从灵敏电流计的结构特点出发,补充强调了电流计为什么比普通的电流计更加精确,它的优点主要体现在哪里,灵敏电流计的三个特性对完成整个实验的意义。从电路出发,说明如何控制线圈的运动状态。最后,为了让学生正确使用电流计,介绍灵敏电流计的分流器结构。
关键词:灵敏电流计 临界电阻 分流器
中国分类号:O441文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)11(a)-0176-02
灵敏电流计特性研究是大学物理实验的基础实验之一,是电磁学理论知识通过实验观察的一个非常经典的实验,通过这个实验,使学生能够增加对大学物理的学习兴趣。但是学生在完成这个实验的过程中,经常会遇到困难,例如,实验效果不明显,对实验原理的有些部分不理解,实验中容易损坏仪器等。鉴于以上原因,我们从灵敏电流计实验的教学方法和实验内容安排出发,以达到更好的教学效果和培养学生的实验兴趣为目的,针对实验中出现的具体问题,从以下四个方面对灵敏电流计实验进行教学探索。
1 从灵敏电流计的结构出发,使学生形象深入的理解为什么它是一种高灵敏度的磁电式仪表
灵敏电流计的基本部分有永久磁铁、圆柱形软铁芯和矩形线圈,这些部分都和普通的磁电式电流计差不多,但是为了提高灵敏度,除了线圈的绕线较细,圈数较多外,它灵敏度的提高主要体现在两个方面:首先是线圈不是靠轴和轴承支撑起来,而是用一根金属细丝将线圈悬挂起来,线圈能够以悬丝为轴自由转动,也就是避免了转轴和轴承带来的摩擦力。其次当线圈中通有电流的时候,线圈在磁场中受磁力矩L磁,发生了一定的偏转,这时,悬丝被扭转。由于弹性,悬丝就会产生一个反向的扭转力矩L弹,使线圈在一定的偏转角度下平衡。这个偏转角度反映了待测电流的大小[1]。在普通的电流计中,偏转角度是通过固定在线圈上的指针在刻度盘上指示出来的,而在灵敏电流计中悬丝上镶嵌有小反射镜,将一束光投射到小反射镜上,从反射光束的偏向可以测出线圈的偏转角度。在这里,这束光束实际上就是一个无重量的指针。通过这样一套光学放大系统,相当于大大加长了指针的长度。
2 讲述灵敏电流计的特性
灵敏电流计的特性研究主要包括电流常数K,内阻Rg,外临界电阻RW。对于电流常数首先应该让学生知道定量测量电流的时候为什么要测量电流常数,它的物理意义是什么。灵敏电流计的电流常数,是由灵敏电流计本身所决定的一个常数,表示光指针每偏转单位长度,所需要的电流,单位是A/div。因此测定电流常数才能知道每一个最小的分度代表多少电流,这样就可以通过光指针偏转多少个分度值来确定通过灵敏电流计的电流值。对于电表来说,内阻本身就是一个重要的特征,所以内阻也是灵敏电流计的重要特征之一,内阻的准确与否直接关系到灵敏电流计的精确度,所以内阻也是我们这个实验要精确测量的量值之一。另外通过大学物理电磁学部分的学习,我们知道电磁感应现象是一个暂态效应,即感应电动势是在运动和变化过程中产生的,也就是说运动和变化一旦停止,那么回路中所产生的感应电动势就会消失,即感应电流就不存在了。所以要向学生讲清楚线圈运动过程中所受到的三个力矩,这个地方讲清楚了,那么接下来的问题就容易多了。如何使外电路改变的时候,光指针能够很快的停留在新的平衡位置,这就需要控制外电路的阻值,在实验中要求在尽可能短的时间内使线圈达到稳定偏转角,这就要求线圈最好工作在临界阻尼状态,即测量出电路的外临界阻值。外临界阻值是灵敏电流计的又一个特性之一。
3 实验中如何控制灵敏电流计光标的运动状态
在这个实验中,对于如何控制灵敏电流计光标的运动状态有很多的大学物理实验书中都只给出了结果,就是需要控制哪个电阻箱,最终达到一个什么样的状态。但是大部分都没有给出为什么要这样做,这样做的原因是什么。如果把这一点给学生讲清楚,那么他们对这部分的实验思路就比较清楚,理解起来就不会很困难。
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应电动势和感应电流,这个感应电流也受磁场作用,即线圈受到一个阻碍线圈转动的电磁阻尼力矩M作用。M与闭合回路的总电阻(电流计内阻Rg和外电阻RW组成)成反比。M∝1/(Rg+Rw)通过改变RW的大小来控制电磁阻尼力矩M的大小,M不同则线圈的运动状态不同。
当RW较大时,M较小,线圈做振幅逐渐减小的衰减震荡,属欠阻尼状态。当RW较小时,M较大,线圈缓慢趋向平衡位置,属过阻尼状态。当RW阻值适当时,线圈较快到达平衡位置,属临界状态。在弄清三种状态以后我们按图连线,如图1[2]。到零点的时间,逐渐减小R1,观察它在临界状态时和过阻尼状态时的变化(分流器可放在直接档进行观察)。一般的大学物理实验书和实验课的讲解都是按照以上的思路进行解释电磁阻尼产生的原因和控制外电路就可以控制线圈的运动状态。但是经过长时间的讲授这个实验,我们发现其实学生大部分都不知道为什么控制与灵敏电流计串联的电阻值就相当于控制外电路的阻值了。
当线圈切割磁力线运动而在外电路中产生感应电流的时候,我们看一下电流的走向,假设电流是向沿着顺时针方向运行,感应电流从灵敏电流计G出来先流过电阻箱R,接下这在A点应该是分流,但是我们知道,通过二次分压后R2是高电阻,而R1是低电阻,所以在这一点电流大部分都应该走R1这个支路,然后回到灵敏电流计的另外一端。也就是说,如图1的虚线框内就是感应电流所主要流过的回路。由于R1是一个定值,灵敏电流计的内在也是一个定值,也就是说只要在这个回路里我们控制R这个电阻箱就可以实现控制线圈的三种阻尼运动状态。
4 要正确的使用灵敏电流计必须要清楚灵敏电流计分流器的结构特点
要正确使用电流计,必须了解电流计的分流器结构,这一点对于完成整个实验也是非常重要的。分流器的结构如图2所示,Rg为电流计内阻,Rc为电流计的临界电阻,其它三个分流电阻分别为rl、r2、r3;其中RgRc,r2=0.lr3、rl=0.01(r2十r3)、rl+r2+r3=Rc;当把分流器的档位调整在“直接”档,即表示I=Ig,电流全部流过灵敏电流计。当档位调在“×1”档,表示I≈Ig,电流大部分流过灵敏电流计。当调节在“×0.1”档,表示Ig=0.1I,灵敏电流计的灵敏度下降0.1倍;在“×0.01”档位上,Ig=0.01I,这个档是最低灵敏度档,使灵敏度下降0.01倍。 值得注意的是电流计铭牌上注明的电流灵敏度S是指将分流器置于“直接”档时的灵敏度。为了防止电流计受到机械振动而损害,所以电流计还设有短路档,电流计使用完毕后,一定要将电流计的分流器旋在短路的位置。
通过向学生介绍以上几点,使学生由浅入深的对灵敏电流计从整体上进行认识,并且知道产生这些现象的物理原因是什么,以及如何在规定的课时内更好更快的进行物理实验。另外在实验过程中由于要连接的线路较多,很容易出错,一旦出错容易损坏仪表,所以在开始连接电路的时候要向同学们讲清楚,由于灵敏电流计测量的是微弱电流,所以我们要通过二次分压,使流过电流计的电流比较小。具体连接线路的时候,要求学生按照回路连接,这样不容易出错,而且即使出错了,也容易找到原因,使实验能够在规定的实际内以较好质量的完成。
参考文献
[1]赵凯华,等.电磁学[M].北京:高等教育出版社,1988,6(2004重印).
[2]陈庆东,等.大学物理实验[M].北京:机械工业出版社,2006,8(2010,7重印).
