电磁学实验基础知识

  Alu ·  2007-09-19 20:39  ·  36127 次点击
本节包括电磁学实验常用仪器和基本操作规程两部分。这些内容至关重要,在做电磁学实验前务必认真阅读,仔细领会;在做实验时要自觉运用,做到熟练掌握。1常用电学仪器及元件1)直流电源实验室常用直流电源有晶体管直流稳压电源和干电池、蓄电池等。晶体管直流稳压电源的优点是输出电压长期稳定性好、输出可调、功率(额定电流)大、内阻小、可长期连续使用。缺点是工作时由于用交流电源供电,因而短期稳定性不如干电池,会受电网电压波动的影响。一般说来体积也较大。干电池输出电压的短期稳定性好,使用时不会对用电电路造成交流噪声干扰和电磁干扰,常用于对稳压要求高的电路或便携式仪器中。缺点是容量有限,使用寿命短,不能长期连续使用。干电池变坏的标志是内阻变大,端电压变低,严重失效的会流出腐蚀性液体。干电池需要经常检查,及时更换。选用电源要注意:①输出电压是否满足要求;②电源是否超载,即负载取用电流是否超过电源的额定值,如果超载,直流稳压电源会很快发热以致烧坏,干电池会很快报废;③要谨防电源两极短路。2)标准电池标准电池具有稳定而准确的电动势,因而自1908年即被国际计量局推荐作为电压单位的基准器。标准电池的正极是汞,上面覆盖有硫酸亚汞固体作为去极化剂;负极为镉汞齐,电解液为硫酸镉溶液。各种化学物质密封在玻璃管内,两电极由铂导线引出,然后装入金属筒内。根据硫酸镉电解液饱和程度不同,标准电池又分为饱和型和不饱和型两种。从外形看,又分为H型和单管型。图2.3—1为饱和型标准电池的结构示意图。饱和型标准电池电解液中有过剩的硫酸镉晶体,负极镉汞齐中含镉10%、汞90%。其电动势在恒温下有很高的长期稳定性,年变化不超过几微伏。当使用环境温度偏离20℃时,根据1986年颁布的国家计量检定规程,其电动势温度修正公式为http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c3/gs1.gif式中:EN20是在20℃时的电动势。_http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c3/1.JPG__图2.3—1饱合型标准电池__1—汞;2—10%镉汞齐;3—硫酸镉晶体;4—硫酸亚汞;__5—硫酸镉饱和溶液;6—铂丝引线;7—微孔塞片_不饱和标准电池,在规定使用温度范围内硫酸镉电解液处于不饱和状态,负极镉汞齐中含镉12.5%、汞87.5%。其结构和化学成分与饱和型基本相同,只是电解液中无过量的硫酸镉晶体。电动势长期稳定性比饱和型差,变化量约20μV/年~200μV/年;但其温度稳定性较好,约为-1μV/℃~-5μV/℃。在0℃~50℃范围内电动势不必修正,可取其20℃时的值。标准电池按其年稳定度分等级。例如实验室常用的BC3型标准电池,等级指数0.005,其电动势年变化量不超过±50μV。表2.3—1给出了标准电池的主要技术指标。_表2.3—1标准电池的主要技术指标__http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c3/table1.bmp_每只标准电池出厂时,都附有检定证书,给出该电池20℃时的电动势值及内阻值。在准确度要求高的情况下使用,可先按实际使用温度(标准电池插有温度计)对检定值做温度修正,并可简单地以该电池等级指数所规定的一年内电动势允许偏差值作为误差限。在大学物理实验中,一般取标准电池电动势为1.018V就可以了,在室温变化范围内不必做温度修正,而且可不考虑其误差。因温度修正值和误差限都远小于10-3V。使用中应注意如下事项。(1)温度要求,应符合表2.3—1规定的工作温度范围。使用中要远离冷源和热源,防止骤冷骤热。(2)充放电电流,一般要求不得超过1μA。在补偿电路中使用时极性不得接反;不得用伏特计测量其电动势;不能用多用表或电桥测量其内阻;要谨防两极短路,不允许用手指同时接触两个电极的端钮。(3)防止振动、倾斜、倒置。(4)遮光保存,防止强光直照。3)电阻箱测量用电阻箱要求有足够的准确度和稳定度,故一般由电阻温度系数较小的锰铜合金丝绕制的精密电阻串联而成。实验室常把电阻箱作为标准电阻使用。_http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c3/2.JPG__图2.3—2插塞式电阻箱的内部电路_图2.3—2为插塞式电阻箱的内部电路。图中以插塞(黑圆点)选择的电阻为5019Ω。实验室以转盘式电阻箱使用最为广泛,借助变换转盘位置,可获得1Ω~9999Ω(如ZX36型)或0.1Ω~99999.9Ω(如ZX21型)的各种电阻值。图2.3—3是ZX21型电阻箱的面板图。_http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c3/3.jpg__图2.3—3ZX—21型电阻箱面板_电阻箱的主要规格是其总电阻、额定电流和准确度等级。现以ZX21型电阻箱为例做如下说明。(1)调节范围。如果6个转盘所对应的电阻全部用上(使用“0”和“99999.9Ω”两个接线柱,6个转盘均置于最高位),总电阻值为99999.9Ω,?此时残余电阻(内部导线电阻和电刷接触电阻)最大。如果只需要0.1Ω~0.9Ω(或9.9Ω)的阻值范围,则内接“0”和“0.9Ω”(9.9Ω)两接线柱。这样可减小残余电阻对使用低电阻时的影响。(2)额定电流。使用电阻箱不允许超过其额定电流。有些电阻箱只标明了额定功率P,额定电流可利用公式I=√P/R算出。例如,电阻箱额定功率为0.25W,对于步进电阻为×0.1Ω的挡,其额定电流为√0.25/0.1=1.5A。注意电阻箱各挡的额定电流是不同的,但均可照此例计算。(3)准确度等级。电阻箱的准确度等级由基本误差和影响量(环境温度、相对湿度等)引起的变差来确定。对等级指数的划分,GB3949—83与JB1788—76的规定有所不同。旧国标规定一个电阻箱有一个共同的等级指数,而新国标规定一个电阻箱的各挡可以有不同的等级指数。对于适用JB1788—76的电阻箱,暂约定按下式估算示值误差限:ΔR=a%R+0.005m(2.3—1)式中:R为电阻箱示值;a为等级指数;m为所使用的步进盘的个数。例如,使用“0”和“9.9Ω”两个接线柱时,m=2。而使用“0”和“99999.9Ω”两接线柱时,m=6。对于适用GB3949—83的电阻箱,可用下式估算其示值误差限:ΔR=∑ai%Ri+0.005m(2.3—2)式中:ai、Ri表示第i个10进盘的等级指数和示值。下表为国标规定的电阻器的等级指数系列:a0.00050.0010.0020.0050.010.020.050.10.2各挡的等级指数标示在产品铭牌上。使用电阻箱时应注意:使用前应先来回旋转一下各转盘,使电刷接触可靠。使用过程中注意不要使电阻箱出现0Ω示值。为简化计算,有时可认为m=0。4)滑线变阻器滑线变阻器的主要部分为密绕在瓷管上的涂有绝缘漆的电阻丝。电阻丝两端与固定接线端相连,并有一滑动触头通过瓷管上方的金属导杆与滑动接线端相连,如图2.3—4所示,M、N为固定端接线柱,T为滑动端接线柱。_http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c3/4.jpg__图2.3—4滑线变阻器_滑线变阻器的主要技术指标为全电阻和额定电流(功率)。应根据外接负载的大小和调节要求选用,尤其要注意,通过变阻器任一部分的电流均不允许超过其额定电流。实验室常用滑线变阻器来改变电路中的电流或电压,分别连接成制流电路和分压电路,如图2.3—5(a)和(b)。使用时应注意,接通电源前,制流电路中滑动端T应置于电阻最大位置(N端);分压电路中,滑动端T应置于电阻最小位置(N端)。_http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c3/5.JPG__图2.3—5制流电路和分压电路_表2.3—2列出了常用电路元件的符号。_表2.3—2常用电路元件符号__http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c3/table2.bmp_5)直流电表实验室常用的直流电表大多为磁电式电表,它的内部构造如图2.3—6?所示。图中圆筒状极掌之间铁心的使用是使极掌和铁心间磁场很强,并使气隙间磁感线呈均匀辐射状。当线圈中有电流通过时,线圈受电磁力矩而偏转,直到与游丝的反抗力矩相平衡,指针即指向某一分度。线圈串并联不同电阻,即可构成不同量程的伏特计、安培计。随着集成元件的成本降低,数字式电表的应用也日趋广泛。要做到正确选择和使用电表,必须了解电表的主要规格、电表接入电路的方法和正确读数的方法。电表的主要技术指标是量程、内阻和准确度等级。量程是指电表可测的最大电流值或电压值。安培计内阻一般由说明书给出或由实验测出。对于伏特计,内阻可由下式算出:内阻=量程×(Ω/V)(2.3—3)(Ω/V)标在表盘上,准确度等级一般也标在表盘上。_http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c3/6.JPG__图2.3—6磁电式电表的构造_电表准确度等级指数的确定取决于电表的误差,包括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,在教学实验中,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a表示等级指数,Am表示量程,ΔA表示示值误差(ΔA=示值-实际值),则ΔA应满足|ΔA|≤Ama%=ΔA(P≥95%)(2.3—4)由上式可见,ΔA=Ama%对于确定的电表来说是个常量,它表示电表基本允许误差极限。实际上,人们很难确知示值误差ΔA的大小和正负,而只能依据电表量程和等级指数估算其示值误差限。电表示值相对误差限表示为http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c3/gs5.gif(2.3—5)式中:A为电表示值。显然当显示值A=Am时,Er=a%。物理实验中,可粗略地用示值误差限估算电表测量结果高置信概率(P≈95%)的B类测量不确定度uB。电表的使用和读数应注意以下几点。(1)正确选择量程。选用电表时应让指针偏转尽量接近满量程。当待测量大小未知时,应首选较大量程,然后根据偏转情况选择合适量程。(2)电表接入电路的方法。安培计应与待测电路串联;伏特计应与待测电路并联。注意电表极性,正端接高电位,负端接低电位。(3)正确读取示值。为了减小读数误差,眼睛应正对指针。对于配有镜面的电表,必须看到指针镜像与指针重合时再读数。一般应估读到电表分度的1/4~1/10。(4)应尽量在规定的允许条件下使用电表,从而尽量减小影响量带来的附加误差。此外,在实际测量时,为了减小电表内阻对测量结果的影响,应选择合理的测量线路。例如,在伏安法测电阻的实验中,应根据安培计内阻rg与待测电阻Rx的相对大小,选择安培计的内接法线路和外接法线路。表2.3—3列出各种符号的意义,明了其意义有助于正确使用电表。_表2.3—3常见的电气仪表表盘标记符号__http://atlas.tju.edu.cn/webclass/physics/syjx/jxnr/cha2/c3/table3.bmp_2电磁学实验操作规程电磁学实验操作规程可概括为下述口诀:布局合理,操作方便;初态安全,回路法接线;认真复查,瞬态试验;断电整理,仪器还原。(1)布局合理,操作方便。根据电路图精心安排仪器布局。做到走线合理,操作安全方便。一般应将经常操作的仪器放在近处,读数仪表放在便于观察的位置,开关尽量放在最易操纵的地方。(2)初态安全,回路法接线。正式接线前仪器应预置安全状态。例如,电源开关应断开,用于限流和分压的滑线变阻器滑动端的位置应使电路中电流最小或电压最低,电表量程选择合理档次,电阻箱示值不能为零,等等。回路法接线是指按回路连接线路。首先分析电路图可分为几个回路,然后从电源正极开始,由高电位到低电位顺序接线,最后回到电源的负极(此线端先置于电源附近不接,待全部线路接完后,经检查无误,最后连接),完成一个回路。接着从已完成的回路中某高电位点出发,完成下一个回路。一边接线,一边想像电流走向,顺序完成各个回路的连接。切忌盲目乱接,严禁通电试接碰运气。回路法接线是电磁学实验的基本功,务必熟练掌握。(3)认真复查,瞬态试验。接线完毕后,应按照回路认真检查一遍。无误后接通电源,马上根据仪表示值等现象判断有无异常。若发现异常,立刻断电检查排除。若无异常,则可调节线路元件至所需状态,正式开始做实验。(4)断电整理,仪器还原。实验完毕后,应先切断电源再拆线。把导线理顺扎齐,仪器还原归位。整理时严防电源短路。

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