原创 检流计的特性

流计是磁电式仪表，它是根据载流线圈在磁场中受到力矩而偏转德原理制成的。普通电表中线圈是安放在轴承上，用弹簧游丝来维持平衡，用指针来指示偏转。由于轴承有摩擦，被测电流不能太弱。检流计使用极细的金属悬丝代替轴承悬挂在磁场中，由于悬丝细而长，反抗力矩很小，所以有很弱的电流通过线圈就足以使它产生显著的偏转。因而检流计比一般的电流表灵敏的多，可以测量微电流（10^-7~10^-10A）或者微电压（10^-3~10^-6V），如光电流、生理电流、温差电动势等。首次记录神经动作电位，就是用此类仪器实现的。<?XML:NAMESPACE PREFIX = O />

检流计的另一种用途是平衡指零，即根据流过检流计的电流是否为零来判断电路是否平衡，它被广泛使用在直流电桥和电位差计中。

本实验的目的就是为了了解磁电式检流计的结构、原理和运动规律，测量临界电阻，通过测量它的灵敏度和内阻，学习正确的使用方法。

实验原理

n        磁电式检流计的结构

  以光点式检流计为例，结构如图 1和图 2所示，检流计由三部分组成：

l        磁场部分：由永久磁铁(N,S)产生磁场，圆柱形软铁心(J)使气隙中磁场呈均匀辐射状。

l        偏转部分：能在气隙中转动的矩形线圈C及从上下拉紧线圈的金属张丝E,只要有很小的力矩作用，就能使线圈偏转。

l        读数部分：小镜M固定在动圈上，它把光源射进来的光束反射到标尺上形成一个光标，当电流流过动圈时，动圈受力偏转而带动小镜M转过α角，因而反射光束偏转的角度为,光标在标尺上移动的距离，L为小镜到标尺的距离。

n        检流计的工作原理

当被测电流I_G(或电压)经悬丝流过动圈时，载流动圈受到气隙中永久磁铁产生的磁场(磁感应强度B)的作用。由于磁场是辐射装的，因此手里的动圈不管偏转到什么位置，B的方向总与l(即I_G)的方向垂直，那么N匝载流动圈受到的总磁力矩为

M = N B I_G S= G I_G                        (1)

其中S为动圈面积，G = N B S 为检流计的结构常数。

在电磁力矩M的作用下动圈偏转，同时悬丝受扭力而产生反作用力矩(扭转力矩)，当作用在动圈上的电磁力矩和悬丝的反作用扭力矩平衡时，动圈停止偏转，则

N B I_G S ＝ W a                    (2)

W为悬丝的扭转系数，偏转角a的大小由读数装置读出，

n = 2L a                                   (3)

则

        (4)

或

                  (5)

C_I称为检流计的电流常数或分度值，单位是A/mm。如果检流计的结构已定，则C_I为一定值。在使用中，W或其他结构参数可能有变化，所以必须用实验测定C_I。

在实际中，也常用灵敏度S_I来表示，即

                          (6)

S_I的单位是mm/A。

n        检流计的运动状态

检流计的动圈通电流后，除了受到电磁力矩和扭转力矩的作用外，还存在空气阻尼力矩和电磁阻尼力矩，而悬丝是弹性材料制成，若动圈的转动惯量为J，则动圈运动状态

               (7)

或

                                (8)

其中称为衰减系数，为阻尼系数，，为固有角频率，根据衰减系数的不同，有不同的运动状态：

l        欠阻尼状态(b < wo 时)。

公式8的解为          (9)

其中a_F  = G I_G / W , 。 此时外电阻R较大，动圈以平衡位置a_F为中心作一衰减振动，并且逐渐趋紧于平衡位置，运动曲线如图2.1.1-3中的曲线I。特别当外电路断开和无空气阻尼(D=0)时候，动圈为无阻尼运动，以平衡位置a_F为中心作等幅振动，运动曲线如图2.1.1-3中的曲线IV。实际实验中由于空气阻尼D很小，当外电路断开时动圈以位置a_F为中心作一衰减系数很小的振动。

l        临界阻尼状态(b ＝ wo 时)。

公式8的解为                         (10)

其中a_F  = G I_G / W 。动圈无振动的很快达到平衡位置，此时的外电阻称为临界电阻Rc,它的运动曲线如图2.1.1-3中的曲线II。一般来说，检流计的临界阻尼状态是它的理想工作状态。

l        过阻尼状态(b > wo ,即R₀<Rc)。

公式8的解为               (11)

其中a_F  = G I_G / W , 。此时动圈也是做单向偏转运动，缓慢的趋向平衡位置a_F , 运动曲线如图2.1.1-3中的曲线III。R越小，到达平衡位置的时间越长。因为过阻尼运动中，动圈到达平衡的时间长，而且不易判断动圈是否到达平衡位置，因此它对于测量是不利的。

n        测量电路

由于检流计很灵敏，一般通过电流不能超过1uA,在实际测量中常采用图2.1.1-4的电路。电压经过两次分压后得到很小的电压(常小于1mV)后才加到检流计电路中。第一次采用滑线变阻器分压，第二次采用固定电阻的数量级分压。K2是换向开关，用它可以变换过检流计的电流方向，K3是阻尼开关，将它合上就可以将检流计短路，检流计的动圈就停止振动。

如图 4，我们得到

I_G ( R_G+R_KP ) = ( I-I_G )R₁                        (12)

            (13)

因为R₁<<R₀,所以

                         (14)

电流常数

               (15)

加在开关K₂两端的电压，由于R_G+R_KP>> R_1,由公式（11）得到

                                          (16)

检流计电压常数

                           (17)

学习重点

n        了解磁电式检流计的结构、原理和运动规律。

n        了解磁电式检流计的运动状态的特点并测定检流计临界电阻。

n         掌握测定检流计电流常数的方法。

实验仪器

本实验采用AC15/2型光标式检流计，固定分压电阻箱，电阻箱，滑线变阻器，15V稳压电源，伏特计，单刀开关、双刀换向开关、压触开关，秒表。

实验内容

按照图 4 接好线路，取的比例。将检流计上的开关拨到“直接”档。

1．观察检流计运动状态并测量临界电阻。

合上开关K₁,调节变阻器R使得光标偏转至60mm,断开K₁使检流计处于测量状态。

(1)    根据临界阻尼的工作状态要求，测量临界电阻Rc。

(2)    选取R_kp分别为时，判别检流计的运动状态，测出光标第一次回到自然平衡位置(零点)的时间和最终达到平衡位置的阻尼时间（每种状态测两次）。

在上述操作中，选取合适的R₀/R₁,使得光标偏转60mm。

2．测量检流计的电流常数C_I和电压常数C_V。

(1)    选择R_kp= Rc,使检流计工作在临界状态，选择合适的R₀/R₁,调节滑线变阻器R，使光标n=60mm,记下对应的刻度n₁和电压V₀₁,然后将开关K₂迅速倒向，记下反方向偏转n₁’。

(2)    调节变阻器R,使得光标每次减少5mm,重复(1)的步骤，得到一组n_i、n_i’ 和V_0i的数据。

(3)    由,做出n-V曲线，求出K=Dn/DV,带入(15)和(17),计算C_I和C_V。

3．测量阻尼时间Tc

阻尼时间Tc是指在临界状态下，检流计从最大偏转位置(如60mm)到达稳定平衡位置需要的时间，断开开关K₁,测量三次Tc。

4．根据步骤2的数据，求最大偏转(60mm)时的。

5．测量R_kp= 0.5Rc和2Rc及满偏60mm时的C_I和C_V。

注意事项

n        检流计使用时在“直接”档进行调零和测量，实验完毕后放回“短路”档。

n        检流计在实验过程中要避免受震动。

n        在调节R_kp过程中要注意对检流计的保护以防进入检流计电流过大。

思考题

n        如果在实验中得到的临界电阻不准，对测得的电流常数C_I和电压常数C_V是否有影响，为什么？