磁電式電流計的結構·原理·改裝·創新應用

羅倩敏(特級教師)

電流計是中學物理電學實驗的核心儀器．與電流計有關的問題,既是高考物理專家命題的重點,又是考生迎考復習懼怕的難點．電流計問題涉及了諸多的知識、方法、能力等內容,如何將其整合起來,實現高效復習呢?下面,以中學物理常用的磁電式電流計為例,將其結構、原理、改裝、創新應用整合起來,形成單元的邏輯鏈,以供參考．

1 結構

磁電式電流計結構如圖1所示,它是由固定的磁路系統和轉動系統組成的．磁路系統中的蹄形磁鐵兩端各有一個半圓形極靴構成兩個磁極——N極和S極,兩極靴間有一個圓柱形鐵芯,在極靴(又名極掌)和圓柱形鐵芯之間的空隙中形成均勻輻射狀的磁場(方向沿半徑方向,并與線圈平面始終平行)．轉動系統中的線圈繞在矩形鋁框 (阻尼器) 上,轉動軸與線圈兩端相連,軸的兩端被支撐在軸承里,使圓柱形鐵芯隨線圈受安培力矩轉動而轉動．指針與轉動軸相連并與表盤的刻度平行．游絲(螺旋彈簧)的內端固定在轉軸上,外端固定在儀表內部的支架上.一個儀表中通常有兩個游絲,它們的螺旋方向相反,當線圈中通電轉動時,兩個游絲被扭轉,產生反作用力矩.兩個游絲還兼作線圈中電流的引入線和引出線．調節器是調節電流計工作前的起始位置(對應于表盤零刻度)．平衡錘起平衡作用,用來調節轉動部分的機械平衡．

圖1

2 原理

磁電式電流計(以下簡稱電流計)的表盤刻度為何是均勻的?為何被稱為磁電式電流計?為何兩個游絲螺旋方向相反?為何要用鋁框做線圈骨架?要回答這些問題必須從其原理說起．電流由接線柱流入,經過游絲,再進入線圈形成閉合電路,指針立即改變運動狀態——轉動起來,顯然是通電線圈受到了安培力的作用——因電而動,屬于電動機模型,因此叫作磁電式電流計．設磁場為勻強的,磁感應強度為B(因兩游絲的螺旋方向相反,通電后產生的磁場方向也相反,故對線圈的磁場作用抵消)，通過的電流為I,初始位置如圖2所示,轉過角度α(線圈、鋁框、指針是共軸轉動，具有相同的角度),到如圖3所示狀態靜止下來．

圖2 圖3

圖4

通常,電流計不工作時,其指針因傾斜會與表盤產生摩擦,造成磨損和讀數不準．為了避免這種現象的發生,就需要在指針與轉軸的連接處(指針基部)加上一個平衡錘,這樣既能減弱指針傾斜趨勢,也能起到較好的固定作用．為了方便讀數和電流方向的判定,往往要調零.調零裝置由兩部分組成——零點調零螺絲和調零導桿．零點調零螺絲也就是在電流計前(后)面的旋鈕,而調零導桿主要是連接轉軸和零點調零螺絲的裝置．承接上文,游絲的外端就旋繞固定在該螺絲上,當轉動螺絲,固定在其上的游絲也跟著旋轉收緊,帶動游絲內側也旋轉,而游絲內側是固定在轉軸上的,轉軸一轉,指針便轉．所以我們常說旋轉調零螺絲就是為了拉緊游絲．

3 改裝

考慮到電流計靈敏度的需要,磁電系統中的游絲和線圈只能通過較小的滿偏電流Ig(一般為幾十微安到幾十毫安),內阻Rg通常是幾百歐姆到幾千歐姆(可測電壓約為幾毫伏到幾十毫伏),那么,大量程的電流、電壓如何測量呢?電阻又如何測量呢?因此,電流計的改裝成為必然．

3.1 改裝為電流表

圖5

3.2 改裝為電壓表

圖6

3.3 改裝為歐姆表

圖7

圖8

設計歐姆表時,相鄰擋的內阻是成10倍率關系,每換倍率擋都得重新讓紅、黑表筆短接進行歐姆調零,為了保持電流計的滿偏電流不變,R使用分壓電路．由于歐姆表刻度是非線性的(通過選擇適當倍率,指針偏角大,減小倍率,反之增加倍率,使指針在中值附近以減小誤差),每換擋時,內阻變化一次,加上電源電動勢與內電阻的變化,所以歐姆表的精確度很低．

4 創新應用

4.1 多表共享電流計——多用表

(1)多用電表可以用來測量________、________、________等，并且每一種測量都有幾個量程．多用電表外形如圖9所示,上半部為表頭表盤，上有電流、電壓、電阻等多種量程的刻度;下半部為選擇開關,它的四周刻著各種測量項目和量程．另外有旋鈕三個．一個是開路時用十字起調節它,使指針停在左邊電阻的∞處,叫________；一個是將其調節到要測量的擋位和量程,叫________；測量電阻時,兩表筆短接,調節它使電流達滿偏,叫________．由于多用電表的測量項目和量程比較多而表盤的空間有限，所以并不是每個項目的量程都有專門的標度，有些標度屬于共用標度．如圖9中的第二行就是交、直流電流和直流電壓共用的標度，第三行為交流電壓專用．

圖9

(2)如圖10所示，多用電表是由一個小量程的電流計與若干元件組成的，每進行一種測量只使用其中一部分電路，其他部分不起作用．a)當S接通1或2時,表頭與電阻并聯，所以1、2為電流擋.由于并聯阻值的大小不同，量程也不同，那么______(填“1”或“2”)的量程較大．b)當S接通3或4時,接通內部電源(已知E′>E)，此時為歐姆擋，那么______(填“3”或“4”)的倍率高．c)當S接通5或6時,表頭與電阻串聯，此時為電壓擋.由于串聯的阻值不同,那么______(填“5”或“6”)的量程大．

圖10

(2) a)根據并聯電路可得電壓相同,電阻越小,分流越大,故填1.b)由閉合電路歐姆定律知電動勢越大,說明歐姆表倍率越高,故填4.c)由串聯電路知電流相同,電阻越大,分壓越大,故填6．

4.2 電壓表當電流表用

圖11

(1)圖11的方框中已畫出部分實驗元件符號，請將其余部分補充完整成為本實驗的電路圖，并在圖中標出各器材的字母代號．

(2)簡要寫出開關閉合后的實驗步驟，要直接測量的物理量以及它們的字母代號.

(3)用已知量和直接測量量表示待測電壓表內阻的表達式．

圖12

4.3 電流表當加速度計用

圖13

對含電流計的電路,若流過的電流為i(已知電流計上為正極,下為負極,若電流由正極流入電流計,電流計指針向右偏,反之,電流由負極流入,指針向左偏),則有UPQ=i(R0+Rg),聯立解得

4.4 電壓表當磁強計用

圖14

可見,磁電式電流計問題涉及電路的串并聯規律、閉合電路歐姆定律、安培定則、電磁感應、能量守恒、牛頓運動定律、胡克定律、力矩平衡等知識,體現了實驗工具設計制造源于物理學原理,印證了學以致用的物理特色,用到了等效思維法、宏微觀分析法，考驗了建模、探究、質疑等能力．在復習電流計問題時,教師可以以演示實驗為載體,通過對結構、原理、創新應用等的整合設計相關問題鏈,讓學生自主體驗、小組合作交流,從而達成高效復習．