第三章　電磁學試驗

第一節　電磁學實驗常用儀器介紹

電磁測量是現代生產和科學研究中廣泛應用的一種實驗方法和實驗技術。在許多實驗中都離不開電流和電壓的測量，除直接測量電磁量外，還可以通過換能器把非電量變為電量來測量。

物理學實驗中有許多常用的典型的實驗方法（如比較法、模擬法和補償法等），它們被廣泛地應用于電磁學測量之中。電磁學實驗的目的，是學習典型的實驗方法，進行實驗技能的訓練，培養看圖、正確連接線路和分析判斷實驗故障的能力；同時，學會正確使用電學儀器和儀表。通過實驗的觀察、測量和分析，更加深入地認識和掌握電磁學理論的基本規律。

電磁學實驗離不開電源和各種電測儀器、儀表，下面對一些常用的基本儀器及儀器布置與線路連接作一簡單介紹。

一、電源

電源是把其他形式的能量轉變為電能的裝置，分為直流電源和交流電源兩類。

1.電流電源（以DC或—表示）

常用的直流電源有干電池、鉛蓄電池和晶體管直流穩壓電源。干電池體積小、重量輕，攜帶和使用都很方便，短時間使用輸出電壓比較穩定，但它的容量小，長期穩定性差，適用于耗電少、短時間測量的實驗。鉛蓄電池的正常電動勢為2V，額定供電電流約為2A，輸出電壓比較穩定，當它的電動勢降低到1.8V時，應及時充電；另外，鉛蓄電池即使未用也需要每隔2～3周充電一次；鉛蓄電池的維護比較麻煩。直流穩壓電源短時間穩定性有時感到不足，但長期穩定性好，內阻低，輸出功率大，使用方便，只要接到交流220V電源上，就能輸出連續可調的直流電壓（輸出電壓和電流的大小可由儀器上的電表讀出）。

使用晶體管直流穩壓電源時應嚴禁短路和超載；每次使用都應從零輸出調起，用后再將輸出置于零；有“啟動”按鈕的，通電后，按一下面板上的“啟動”按鈕才有電壓輸出。如實驗中突然發現無電壓輸出，應檢查外電路，排除短路或過載故障后，再按一次“啟動”按鈕才能恢復正常輸出。

2.交流電源（以AC或～表示）

實驗室常用電網電源作為交流電源。其電壓可通過變壓器來調節，亦可通過交流穩壓電源使電壓穩定不變。

使用交流或直流電源時要特別注意，不能使電源短路。

二、電阻

為了改變電路中的電流和電壓，或作為特定電路的組成部分，在電路中經常需要接入各種不同大小的電阻。電阻分為固定電阻和可變電阻兩大類。不論哪種電阻，使用時除注意阻值R的大小外，還應注意其額定功率W，應使通過的電流。下面著重介紹兩種可變電阻——滑線變阻器和旋轉式電阻箱的結構和用法。

1.滑線變阻器

滑線變阻器的外形和結構如圖3-1所示。將電阻絲（如鎳鉻絲）均勻繞在瓷筒上，瓷筒兩邊固定在一個鐵架上，A、B為電阻絲的兩個端頭，然后在瓷筒上方固定一根銅棍，并在銅棍上再裝一個彈簧滑塊，使它能沿銅棍在電阻絲上滑動，C就是連通滑塊的引出端。

使用方法如下。

（1）限流接法　目的是控制電路中的電流強度。使用方法是將其通過A、C兩端或B、C兩端串接在電路中，如圖3-2（a）所示，通過移動C的位置改變電路中串聯的電阻值，從而達到控制電流的目的。應當注意的是，通電前應使串入的電阻最大。

（2）分壓接法　目的是把一個具有固定電壓的電源變成一個輸出電壓連續可調的電源，如圖3-2（b）所示。使用方法是A、B兩端并接在電源上，C、B兩端為可調的電壓輸出端，輸出電壓可由零（C滑到B端時）變到最大值（C滑到A端）。通電前應使分出的電壓接近零。

為了使電壓、電流調節的范圍大又使調節的均勻性好，有時采用多級分壓、多級限流或限流與分壓組合在一起的混合電路。

2.旋轉式電阻箱

旋轉式電阻箱是由若干個固定的精密電阻按照一定的組合方式接在特殊的變換開關裝置上構成的，利用電阻箱可以在電路中得到不同的電阻值。ZX21型電阻箱的面板圖和內部接線圖如圖3-3所示。

在箱面上有四個接線柱和六個旋鈕，每個旋鈕的邊緣上都標有0，1，2，…，9十個數字，靠近旋鈕邊緣的面板上刻有標志“Δ”，并標有×0.1，×1，…，×10000等倍率。電阻箱給出的電阻值應該等于各個旋鈕對準“Δ”的數字乘以該旋鈕下面的倍率，然后取其和。例如：各旋鈕的位置如圖3-3（b）所示，總電阻應為：（8×10000+7×1000+6×100+5×10+4×1+3×0.1）=87654.3Ω。當使用值大于10Ω時，接線端應采用“0”和“99999.9Ω”端鈕，此時六個旋鈕都起作用；當使用值小于10Ω大于1Ω時，接線端應采用“0”和“9.9Ω”端鈕，此時只有“×1”“×0.1”倍率的兩個旋鈕起作用，減少了前四個旋鈕接線電阻和接觸電阻的影響；當使用值小于1Ω時，接線端應采用“0”和“0.9Ω”端鈕，此時只有“×0.1”這個旋鈕起作用。

電阻箱的主要技術指標是最大電阻、額定功率（它是電阻箱內每支電阻的額定功率）和準確度等級a。ZX21型電阻箱能夠提供的最大電阻值為99999.9Ω；其額定功率為0.25W，各擋電阻允許通過的最大電流見表3-1。

由準確度等級a可以計算出儀器誤差ΔR，其計算公式為

ΔR=a％R+bm　　（3-1）

式中，R為使用值；m為使用的旋鈕個數；當a≤0.05時，b=0.001Ω，當a=0.1時，b=0.002Ω，當a≥0.2時，b=0.005Ω。

使用電阻箱時，應注意零值電阻的影響與修正；在通電情況下調整電阻值時，除非需要，切不可把電阻值調到零，造成電路短路，燒壞其他儀表。

三、電表

物理實驗所用電表大都是磁電式電表，其特點是表盤刻度均勻，電流方向不同時指針偏轉方向不同，下面對它的基本工作原理作一簡單介紹。

磁電式電表結構如圖3-4所示。在永久磁鐵的兩極上安裝有圓弧形極掌，極掌中間有一圓柱形鐵芯固定在底座上，其作用是在極掌與鐵芯間形成與中心軸對稱的均勻輻射狀的強磁場。長方形線圈固定在上下軸上，并可以在鐵芯與極掌間轉動而不觸碰鐵芯與極掌。當有電流通過線圈時，線圈受電磁力矩作用而帶動指針偏轉，直到與游絲的扭力矩平衡。線圈偏轉角度大小與所通入的電流成正比。電流方向不同，偏轉方向也不同。

1.電表種類

（1）檢流計（以表示）　檢流計一般作為指零儀表用，有時也用于測微小電流或微小電壓。作為指零儀表用時，指針（或光標）初始位置在刻度盤中央，指針（或光標）可隨電流方向的不同而左右偏轉。

注意：懸絲式靈敏檢流計都設有防震的鎖或短路裝置，用前必須開鎖或離開短路狀態；用后要關鎖或使線圈短路；不能通過較大電流；作為指零儀表時，應由最不靈敏的狀態開始調節，直到靈敏狀態。

（2）電流表（包括微安表、毫安表、安培表）　在檢流計（稱為表頭）兩端并聯上阻值很小的分流電阻就構成了電流表。一塊表頭兩端分別并聯上不同的分流電阻，就構成了多量程的電流表。由于電流表是串聯在電路中使用（電流從電流表的正端流入，從負端流出），為了減小對原電路的影響，其內阻越小越好。電流表的主要技術指標是量程和內電阻。

（3）電壓表（包括毫伏表、伏特表、千伏表）　在表頭上串一只阻值較大的分壓電阻就構成了電壓表。一塊表頭可以串入不同阻值的分壓電阻，就構成了多量程的電壓表。由于電壓表是并聯在電路中使用（電壓表的正端接在高電位一端，負端接在低電位一端），為了減小對原電路的影響，其內阻越高越好。電壓表的主要技術指標是量程和內電阻。

對于電流表和電壓表其測量值A可按下式計算：

式中，a為該量程可測量的最大值；N為該量程對應的標度尺的總分度數；n為電表指針指示的讀數（分度數）。

2.電表的級別及其測量誤差

電表準確度等級分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0七級。如數字05表示電表的測量值誤差不超過電表量程的0.5％，其余數字亦表示相同的意義。如果在數字上加一個圓圈，如，則表示電表的測量值誤差不超過指示值的1.5％，其余相同。

3.電表盤面標記的意義

表3-2列出了電表盤面上常見符號的意義，使用電表前必須搞清楚。在電表機殼上標有正、負端鈕，要求電流由正端鈕流入、負端鈕流出。

4.電表使用及其注意事項

（1）查詢　明確電表的功能、用法、級別、使用環境要求等。

（2）機械調零　使電表無負載時指針指于零刻度。

（3）合理選取量程　一般做法是，先用萬用表或大量程獲得粗略值，再選用合適的量程精測，要求所選量程應使指針偏轉到滿刻度的2/3以上。

（4）正確連接電表　明確電表串聯、并聯連接方式，正接線柱為電流流入端，負接線柱為電流流出端，切不可接錯。對于檢流計可以不考慮極性。

（5）正確讀數　一般應在分度值以內再估讀一位數；為減小讀數誤差，應使實驗者視線垂直于度盤表面；有些儀表刻度線附近襯有反射鏡，應在指針和指針在鏡中的像重合的情況下讀數。

（6）用后檢查　電表用畢后，各旋鈕應旋到儀器說明書指定的位置。