电磁学实验基本知识.doc

1、 电磁学实验基本知识本节介绍电磁学实验常用仪器和基本操作规程两部分.在做电磁学实验之前,初学者务必认真阅读本节内容,掌握电学实验室的操作规则、安全知识、电磁学实验常用仪器的性能和使用方法及连接电路的一般方法.电表各种电表的基本结构都是由测量机构和测量线路两部分组成.实验室用电表大部分是磁电式电表.在一个很强的蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁芯,铁芯外面套有一个可以绕轴转动的铝框,铝框上绕有线圈,铝框的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针.线圈的两端分别接在这两个螺旋弹簧上,被测电流经过这两个弹簧流入线圈.蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀地幅向分布的,不管通电线圈转到什么角度,它的平面都跟磁感线平行

2、.当电流通过线圈的时候,线圈受电磁力矩作用而偏转,直到与游丝的反扭力矩平衡.线圈偏角的大小与所通入的电流成正比,电流方向不同,偏转方向不同.1.电表的主要规格电表的主要规格量程、内阻和准确度等级,一般标在表盘上或由说明书给出.(1)量程表示指针偏转满度时的测量值.仪表的型号不同其量程不同.如C31型直流电压表,量程为0-2.5V-10V-25V,表示该仪表有三个量程.(2)内阻指电表两端的电阻.同一仪表量程不同内阻不同,对于电压表一般用每伏欧姆数(即W/V)表示,根据下式可计算对应某一量程电压表的内阻:内阻=量程W/V电压表内阻例如量程为0-2.5V-10V-25V的电压表,它的三个量程内阻分

3、别为2500W,10000W和25000W.安培计内阻一般由说明书给出或由实验室测出.一般安培计内阻小于0.1W,毫安表内阻约几百欧、微安表内阻约一、二千欧.(3)准确度等级电表的准确度登级取决于电表的误差,即基本误差和附加误差两部分.电表的附加误差考虑比较困难,在实验教学中,一般只考虑基本误差.电表的基本误差是由其内部特性及构件等的质量缺陷引起的.国家标准规定,电表的准确度等级共分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个级别.如果以Dm表示可能出现的最大示值误差,则用表示仪表的基本误差,式中Am表示仪表的量限.通常以基本误差的百分数表示仪表的准确度,K表示准确度等级,即如

4、某电表的基本误差是2.5%,则称该仪表的准确度为2.5%,其准确度等级为2.5级.由(1.10-2)可知,仪表允许的最大绝对误差为例 一电流表的准确度等级为0.5级,量程为15mA,测得电路中的电流为5mA,求测量结果的误差.解 最大绝对误差为DIm=15mA0.5%=0.075mA 测量结果的相对误差E=DIm/I=0.075/5=1.5%若被测量的示值为x时,则测量结果的最大相对误差为上式表明,当仪表的准确度等级给定之后,被测量值越接近仪表的量程,测量的相对误差就越小,当x=Am时,测量结果的相对误差最小且等于仪表的基本误差.因此,为了充分利用电表的准确度,应选择合适量程的电表,被测量应大

5、于电表量程的三分之二,即这时可能出现的最大相对误差为即测量结果不会超过电表准确度等级百分数的1.5倍.在选择电表时要根据被测量的大小及对测量结果准确度的要求,兼顾电表的量程和准确度等级,合理的选择仪表,而不要片面地认为电表的准确度等级越高越好.例 被测电压为1V,有准确度等级为0.5级量程为03V和准确度等级为1.0级量程为01V的两块电压表,为了使测量结果准确应如何选择电压表?解 用准确度等级为0.5级量程为03V的电压表测量1V电压时 用准确度等级为1.0级量程为01V的电压表测量1V电压时由此可见,若量程选择合适,用1.0级表测量比0.5级表测量还要准确.2.仪表灵敏度和仪表常数在测量过

6、程中,若被测量变化一个很小的值Dx,引起仪表指针偏转角的改变为Da,则仪表的灵敏度为当Dx0时,有如果仪表的标尺刻度是均匀的,则灵敏度与偏角位置无关,在仪表表盘上处处都有相同的Sx.灵敏度的倒数称为仪表常数,用Kx表示,即例 用一电流表测电流,若被测电流改变10mA时,偏转格数改变了2 格(div),求该仪表的灵敏度及仪表常数.解 根据灵敏度的定义,有仪表常数为KI=1/SI=510-5A/div2.仪表的接入误差EABCR1R2RV图1.10-1(1)电压表的接入误差在图1.10-1所示的电路中,电压表接入之前,B、C之间的电压为当B、C之间接入电压表后,由于电压表有内阻RV, B、C之间的

7、电压将发生改变.设B、C之间接入电压表后的电压为,则为电压表的接入误差.由图(1.10-1),得由(1.10-8)、(1.10-9)和(1.10-10),得式中为把电源视为短路时,未接电压表的情况下B、C之间的并联等效电阻.根据(1.10-11)式可以求出电压表的接入误差由此可见,电压表的接入误差与比值成正比.对于一定的电路,选择的电压表内阻越大,接入误差就越小.例 在图1.10-1的电路中,已知E=10V,R1=R2=10KW,现有量程为Vm1=5V内阻RV1=10 KW和量程为Vm2=10V内阻为RV2=20 KW的准确度为0.5级的两档直流电压表,问用哪一档测量误差较小?解 首先计算等效

8、内阻(1)用量程为Vm1=5V内阻RV1=10 KW档测量时,由(1.10-10)式,得 由(1.10-12)式,得误差仪表的测量误差为总误差为 (2)用量程为Vm2=10V内阻为RV2=20 KW档测量时,可计算得仪表的测量误差为总误差 由此可见,选择电压表时,不但看它的准确度和仪表量程,而且还要选择合适的内阻,有时由于仪表内阻选择不当而带来的接入误差要比仪表测量误差大得多.(2)电流表的接入误差图1.10-2R2RAER1在图1.10-2所示的电路中,电流表接入前,电路中的电流为设电流表的内阻为RA,电流表接入后,电路中的电流为则电流表的接入误差DI为由(1.10-13)和(1.10-14)式,有式中R等效=R1+R2为电流表接入前,把电源视为短路时电路中总的串联等效电阻.由(1.10-16)式可以算出电流表的接入误差为由此可见,电流表的接入误差与比值成正比,对于一定的电路,RA越大接入误差也越大.