磁電式電流計(jì)的結(jié)構(gòu)·原理·改裝·創(chuàng)新應(yīng)用

羅倩敏(特級(jí)教師)

電流計(jì)是中學(xué)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心儀器．與電流計(jì)有關(guān)的問題,既是高考物理專家命題的重點(diǎn),又是考生迎考復(fù)習(xí)懼怕的難點(diǎn)．電流計(jì)問題涉及了諸多的知識(shí)、方法、能力等內(nèi)容,如何將其整合起來,實(shí)現(xiàn)高效復(fù)習(xí)呢?下面,以中學(xué)物理常用的磁電式電流計(jì)為例,將其結(jié)構(gòu)、原理、改裝、創(chuàng)新應(yīng)用整合起來,形成單元的邏輯鏈,以供參考．

1 結(jié)構(gòu)

磁電式電流計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示,它是由固定的磁路系統(tǒng)和轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)組成的．磁路系統(tǒng)中的蹄形磁鐵兩端各有一個(gè)半圓形極靴構(gòu)成兩個(gè)磁極——N極和S極,兩極靴間有一個(gè)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(chǎng)(方向沿半徑方向,并與線圈平面始終平行)．轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中的線圈繞在矩形鋁框 (阻尼器) 上,轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)．指針與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連并與表盤的刻度平行．游絲(螺旋彈簧)的內(nèi)端固定在轉(zhuǎn)軸上,外端固定在儀表內(nèi)部的支架上.一個(gè)儀表中通常有兩個(gè)游絲,它們的螺旋方向相反,當(dāng)線圈中通電轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),兩個(gè)游絲被扭轉(zhuǎn),產(chǎn)生反作用力矩.兩個(gè)游絲還兼作線圈中電流的引入線和引出線．調(diào)節(jié)器是調(diào)節(jié)電流計(jì)工作前的起始位置(對(duì)應(yīng)于表盤零刻度)．平衡錘起平衡作用,用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的機(jī)械平衡．

圖1

2 原理

磁電式電流計(jì)(以下簡(jiǎn)稱電流計(jì))的表盤刻度為何是均勻的?為何被稱為磁電式電流計(jì)?為何兩個(gè)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(jīng)過游絲,再進(jìn)入線圈形成閉合電路,指針立即改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)——轉(zhuǎn)動(dòng)起來,顯然是通電線圈受到了安培力的作用——因電而動(dòng),屬于電動(dòng)機(jī)模型,因此叫作磁電式電流計(jì)．設(shè)磁場(chǎng)為勻強(qiáng)的,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B(因兩游絲的螺旋方向相反,通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也相反,故對(duì)線圈的磁場(chǎng)作用抵消)，通過的電流為I,初始位置如圖2所示,轉(zhuǎn)過角度α(線圈、鋁框、指針是共軸轉(zhuǎn)動(dòng)，具有相同的角度),到如圖3所示狀態(tài)靜止下來．

圖2 圖3

圖4

通常,電流計(jì)不工作時(shí),其指針因傾斜會(huì)與表盤產(chǎn)生摩擦,造成磨損和讀數(shù)不準(zhǔn)．為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生,就需要在指針與轉(zhuǎn)軸的連接處(指針基部)加上一個(gè)平衡錘,這樣既能減弱指針傾斜趨勢(shì),也能起到較好的固定作用．為了方便讀數(shù)和電流方向的判定,往往要調(diào)零.調(diào)零裝置由兩部分組成——零點(diǎn)調(diào)零螺絲和調(diào)零導(dǎo)桿．零點(diǎn)調(diào)零螺絲也就是在電流計(jì)前(后)面的旋鈕,而調(diào)零導(dǎo)桿主要是連接轉(zhuǎn)軸和零點(diǎn)調(diào)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(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)螺絲,固定在其上的游絲也跟著旋轉(zhuǎn)收緊,帶動(dòng)游絲內(nèi)側(cè)也旋轉(zhuǎn),而游絲內(nèi)側(cè)是固定在轉(zhuǎn)軸上的,轉(zhuǎn)軸一轉(zhuǎn),指針便轉(zhuǎn)．所以我們常說旋轉(zhuǎn)調(diào)零螺絲就是為了拉緊游絲．

3 改裝

考慮到電流計(jì)靈敏度的需要,磁電系統(tǒng)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(nèi)阻Rg通常是幾百歐姆到幾千歐姆(可測(cè)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(cè)量呢?電阻又如何測(cè)量呢?因此,電流計(jì)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(shè)計(jì)歐姆表時(shí),相鄰擋的內(nèi)阻是成10倍率關(guān)系,每換倍率擋都得重新讓紅、黑表筆短接進(jìn)行歐姆調(diào)零,為了保持電流計(jì)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(dāng)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(shí),內(nèi)阻變化一次,加上電源電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)電阻的變化,所以歐姆表的精確度很低．

4 創(chuàng)新應(yīng)用

4.1 多表共享電流計(jì)——多用表

(1)多用電表可以用來測(cè)量________、________、________等，并且每一種測(cè)量都有幾個(gè)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(guān),它的四周刻著各種測(cè)量項(xiàng)目和量程．另外有旋鈕三個(gè)．一個(gè)是開路時(shí)用十字起調(diào)節(jié)它,使指針停在左邊電阻的∞處,叫________；一個(gè)是將其調(diào)節(jié)到要測(cè)量的擋位和量程,叫________；測(cè)量電阻時(shí),兩表筆短接,調(diào)節(jié)它使電流達(dá)滿偏,叫________．由于多用電表的測(cè)量項(xiàng)目和量程比較多而表盤的空間有限，所以并不是每個(gè)項(xiàng)目的量程都有專門的標(biāo)度，有些標(biāo)度屬于共用標(biāo)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(biāo)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(gè)小量程的電流計(jì)與若干元件組成的，每進(jìn)行一種測(cè)量只使用其中一部分電路，其他部分不起作用．a(chǎn))當(dāng)S接通1或2時(shí),表頭與電阻并聯(lián)，所以1、2為電流擋.由于并聯(lián)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(dāng)S接通3或4時(shí),接通內(nèi)部電源(已知E′>E)，此時(shí)為歐姆擋，那么______(填“3”或“4”)的倍率高．c)當(dāng)S接通5或6時(shí),表頭與電阻串聯(lián)，此時(shí)為電壓擋.由于串聯(lián)的阻值不同,那么______(填“5”或“6”)的量程大．

圖10

(2) a)根據(jù)并聯(lián)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(dòng)勢(shì)越大,說明歐姆表倍率越高,故填4.c)由串聯(lián)電路知電流相同,電阻越大,分壓越大,故填6．

4.2 電壓表當(dāng)電流表用

圖11

(1)圖11的方框中已畫出部分實(shí)驗(yàn)元件符號(hào)，請(qǐng)將其余部分補(bǔ)充完整成為本實(shí)驗(yàn)的電路圖，并在圖中標(biāo)出各器材的字母代號(hào)．

(2)簡(jiǎn)要寫出開關(guān)閉合后的實(shí)驗(yàn)步驟，要直接測(cè)量的物理量以及它們的字母代號(hào).

(3)用已知量和直接測(cè)量量表示待測(cè)電壓表內(nèi)阻的表達(dá)式．

圖12

4.3 電流表當(dāng)加速度計(jì)用

圖13

對(duì)含電流計(jì)的電路,若流過的電流為i(已知電流計(jì)上為正極,下為負(fù)極,若電流由正極流入電流計(jì),電流計(jì)指針向右偏,反之,電流由負(fù)極流入,指針向左偏),則有UPQ=i(R0+Rg),聯(lián)立解得

4.4 電壓表當(dāng)磁強(qiáng)計(jì)用

圖14

可見,磁電式電流計(jì)問題涉及電路的串并聯(lián)規(guī)律、閉合電路歐姆定律、安培定則、電磁感應(yīng)、能量守恒、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、胡克定律、力矩平衡等知識(shí),體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)工具設(shè)計(jì)制造源于物理學(xué)原理,印證了學(xué)以致用的物理特色,用到了等效思維法、宏微觀分析法，考驗(yàn)了建模、探究、質(zhì)疑等能力．在復(fù)習(xí)電流計(jì)問題時(shí),教師可以以演示實(shí)驗(yàn)為載體,通過對(duì)結(jié)構(gòu)、原理、創(chuàng)新應(yīng)用等的整合設(shè)計(jì)相關(guān)問題鏈,讓學(xué)生自主體驗(yàn)、小組合作交流,從而達(dá)成高效復(fù)習(xí)．