磁电式电流计的结构·原理·改装·创新应用

罗倩敏(特级教师)

电流计是中学物理电学实验的核心仪器．与电流计有关的问题,既是高考物理专家命题的重点,又是考生迎考复习惧怕的难点．电流计问题涉及了诸多的知识、方法、能力等内容,如何将其整合起来,实现高效复习呢?下面,以中学物理常用的磁电式电流计为例,将其结构、原理、改装、创新应用整合起来,形成单元的逻辑链,以供参考．

1 结构

磁电式电流计结构如图1所示,它是由固定的磁路系统和转动系统组成的．磁路系统中的蹄形磁铁两端各有一个半圆形极靴构成两个磁极——N极和S极,两极靴间有一个圆柱形铁芯,在极靴(又名极掌)和圆柱形铁芯之间的空隙中形成均匀辐射状的磁场(方向沿半径方向,并与线圈平面始终平行)．转动系统中的线圈绕在矩形铝框 (阻尼器) 上,转动轴与线圈两端相连,轴的两端被支撑在轴承里,使圆柱形铁芯随线圈受安培力矩转动而转动．指针与转动轴相连并与表盘的刻度平行．游丝(螺旋弹簧)的内端固定在转轴上,外端固定在仪表内部的支架上.一个仪表中通常有两个游丝,它们的螺旋方向相反,当线圈中通电转动时,两个游丝被扭转,产生反作用力矩.两个游丝还兼作线圈中电流的引入线和引出线．调节器是调节电流计工作前的起始位置(对应于表盘零刻度)．平衡锤起平衡作用,用来调节转动部分的机械平衡．

图1

2 原理

磁电式电流计(以下简称电流计)的表盘刻度为何是均匀的?为何被称为磁电式电流计?为何两个游丝螺旋方向相反?为何要用铝框做线圈骨架?要回答这些问题必须从其原理说起．电流由接线柱流入,经过游丝,再进入线圈形成闭合电路,指针立即改变运动状态——转动起来,显然是通电线圈受到了安培力的作用——因电而动,属于电动机模型,因此叫作磁电式电流计．设磁场为匀强的,磁感应强度为B(因两游丝的螺旋方向相反,通电后产生的磁场方向也相反,故对线圈的磁场作用抵消)，通过的电流为I,初始位置如图2所示,转过角度α(线圈、铝框、指针是共轴转动，具有相同的角度),到如图3所示状态静止下来．

图2 图3

图4

通常,电流计不工作时,其指针因倾斜会与表盘产生摩擦,造成磨损和读数不准．为了避免这种现象的发生,就需要在指针与转轴的连接处(指针基部)加上一个平衡锤,这样既能减弱指针倾斜趋势,也能起到较好的固定作用．为了方便读数和电流方向的判定,往往要调零.调零装置由两部分组成——零点调零螺丝和调零导杆．零点调零螺丝也就是在电流计前(后)面的旋钮,而调零导杆主要是连接转轴和零点调零螺丝的装置．承接上文,游丝的外端就旋绕固定在该螺丝上,当转动螺丝,固定在其上的游丝也跟着旋转收紧,带动游丝内侧也旋转,而游丝内侧是固定在转轴上的,转轴一转,指针便转．所以我们常说旋转调零螺丝就是为了拉紧游丝．

3 改装

考虑到电流计灵敏度的需要,磁电系统中的游丝和线圈只能通过较小的满偏电流Ig(一般为几十微安到几十毫安),内阻Rg通常是几百欧姆到几千欧姆(可测电压约为几毫伏到几十毫伏),那么,大量程的电流、电压如何测量呢?电阻又如何测量呢?因此,电流计的改装成为必然．

3.1 改装为电流表

图5

3.2 改装为电压表

图6

3.3 改装为欧姆表

图7

图8

设计欧姆表时,相邻挡的内阻是成10倍率关系,每换倍率挡都得重新让红、黑表笔短接进行欧姆调零,为了保持电流计的满偏电流不变,R使用分压电路．由于欧姆表刻度是非线性的(通过选择适当倍率,指针偏角大,减小倍率,反之增加倍率,使指针在中值附近以减小误差),每换挡时,内阻变化一次,加上电源电动势与内电阻的变化,所以欧姆表的精确度很低．

4 创新应用

4.1 多表共享电流计——多用表

(1)多用电表可以用来测量________、________、________等，并且每一种测量都有几个量程．多用电表外形如图9所示,上半部为表头表盘，上有电流、电压、电阻等多种量程的刻度;下半部为选择开关,它的四周刻着各种测量项目和量程．另外有旋钮三个．一个是开路时用十字起调节它,使指针停在左边电阻的∞处,叫________；一个是将其调节到要测量的挡位和量程,叫________；测量电阻时,两表笔短接,调节它使电流达满偏,叫________．由于多用电表的测量项目和量程比较多而表盘的空间有限，所以并不是每个项目的量程都有专门的标度，有些标度属于共用标度．如图9中的第二行就是交、直流电流和直流电压共用的标度，第三行为交流电压专用．

图9

(2)如图10所示，多用电表是由一个小量程的电流计与若干元件组成的，每进行一种测量只使用其中一部分电路，其他部分不起作用．a)当S接通1或2时,表头与电阻并联，所以1、2为电流挡.由于并联阻值的大小不同，量程也不同，那么______(填“1”或“2”)的量程较大．b)当S接通3或4时,接通内部电源(已知E′>E)，此时为欧姆挡，那么______(填“3”或“4”)的倍率高．c)当S接通5或6时,表头与电阻串联，此时为电压挡.由于串联的阻值不同,那么______(填“5”或“6”)的量程大．

图10

(2) a)根据并联电路可得电压相同,电阻越小,分流越大,故填1.b)由闭合电路欧姆定律知电动势越大,说明欧姆表倍率越高,故填4.c)由串联电路知电流相同,电阻越大,分压越大,故填6．

4.2 电压表当电流表用

图11

(1)图11的方框中已画出部分实验元件符号，请将其余部分补充完整成为本实验的电路图，并在图中标出各器材的字母代号．

(2)简要写出开关闭合后的实验步骤，要直接测量的物理量以及它们的字母代号.

(3)用已知量和直接测量量表示待测电压表内阻的表达式．

图12

4.3 电流表当加速度计用

图13

对含电流计的电路,若流过的电流为i(已知电流计上为正极,下为负极,若电流由正极流入电流计,电流计指针向右偏,反之,电流由负极流入,指针向左偏),则有UPQ=i(R0+Rg),联立解得

4.4 电压表当磁强计用

图14

可见,磁电式电流计问题涉及电路的串并联规律、闭合电路欧姆定律、安培定则、电磁感应、能量守恒、牛顿运动定律、胡克定律、力矩平衡等知识,体现了实验工具设计制造源于物理学原理,印证了学以致用的物理特色,用到了等效思维法、宏微观分析法，考验了建模、探究、质疑等能力．在复习电流计问题时,教师可以以演示实验为载体,通过对结构、原理、创新应用等的整合设计相关问题链,让学生自主体验、小组合作交流,从而达成高效复习．