电磁学实验预备.doc

电磁学实验§1 电磁学实验中一般安全知识与操作规程 必须安全用电，在实验中只有确保人身和仪器设备的安全，实验才得以顺利进行。 (1) 确保人身安全的原则电对人身安全的直接危害就是触电，当人体通过的电流达到 50mA 时，将导致触电死亡，即要操作电，又要保证不发生触电事故，总的原则是：在一般电压下采取有效的绝缘措施，堵塞一切可能引起触电的漏洞，严格遵守操作规程，养成良好的操做习惯，特别是对交流市电的使用，更要小心谨慎。在一般情况下，不同的电压给于不同对待。 当电压低于 36 伏时，即使人体触电也无感觉，故 36 伏以下电压为安全电压，所以一般机器设备上的指示灯。照明灯使用 36 伏以下的电压，在特别潮湿坏境，安全电压规定的更低些，一般为 24 伏(或 12 伏)。 当电压高于安全电压，且低于 380 伏时，必须采取有效的绝缘措施和严格地遵循操作规程，才能避免触电事故。当电压高至上千伏或更高时，再也不能靠简单的绝缘措施避免触电，有时当人体靠近带电体都可以引起“电击” ，所以高压电器周围设有围栏，不让人靠近，对于高压电器的操作，必须按有关专门规定处理。 电磁学实验，一般使用的电压不高，少数也有高电压的，但各类电器的电源使用的是220 伏市电，有触电的可能，因而必须采取有效的安全措施。 人体直接接触超过安全电压的正常带电电器会发生触电事故，但实际上大多数触电事故，是由于人体接触正常情况下不带电的部分而造成的。例如，电机和各类电器以及与之相关联的金属机械的外壳，正常情况下它们本身不带电，若其内部某一带电电线的绝缘损坏而碰壳，当人触及时就会造成触电事故。保护接地或保护接零，就是为了防止这类触电事故的。 保护接地一般用 1KV 左右且中性点不接地的电网中，它是电气设备的金属外壳与大地可靠地联结起来，其接地电阻应小于 4 欧姆。 保护接零，是把电气设备中不带电的金属外壳，与中性点直接接地系统中的零线联接起来，目前在 380/220 伏中性点接地的三相四线制电网中，广泛地采用这种措施。该措施所以能在电器、电机的内部绝缘损坏碰壳，在人体接触时保护人身安全，是由于：当电气设备内某相线碰金属壳时，就形成单相短路，电流很大，使熔断器和自动开关动作，从电路中切除该电器从而避免触电的发生， 所以在用电系统中， 熔断器和开关不应装在中线(零线)上，而应装在相线上，实验室所用的单相(或三相)三脚扦(或四脚)正确的接线是设备的外壳与插头上的粗而较长的脚用导线相联，对应的插座上孔应与电源中线相联，切不可接错! 有关安全用电的知识，还应参阅专门书籍，这里仅是一般简单介绍。 (2)确保仪器设备安全的一般原则 所有的电器、仪表均应在其额定的电压、电流或功率以及规定的量程内使用，否则，将造成损坏乃至烧毁! 例如，电源就标有额定电流输出值，若误将输出端短路、或外接负载电阻过小，致使输出电流超过额定值，电源就会烧毁!应该注意：直接产生电能的装置叫电源。而通过变换器如通过变压器与市电相联，再向电路输出电能的装置，同属电源，也有其额定输出电流值， 或额定输出功率值， 就是交流市电也是取自电网的电源。 实验室用的直流稳压电源、信号发生器等，均应避免输出端短路! 各种电气元件，如电容标有能承受最大的电压值，电阻标有能承受的最功率值，使用中如超过额定值，均将损坏或烧毁! 各种电气仪表有各自的功能和量程，功能使用错误或量程选择不当，如误将电流表并联接入电路，或用小量程测量大电量，都会造成仪表的损坏乃至烧毁! 实验中，电路联接错误，也将导致电器仪表的损坏! A 确保电路的连接正确无误。 B 确保电器，仪表在额定值内运行 (3)几点安全操作规则 接线前合理布置仪器，应符合安全可靠、接线短、少交叉、操作方便、观察、读数容易、检查方便，电源最后接入电路，拆除电路时首先拆除或关电源的规则。 对于可调电路，开始电源置于零输出处，限流电阻置于最大，分压电阻置于分压为零处，电表选择较大量程，然后采取点触法通电，边调节边观察的方法，一遇示值超过满度，电源过载指示红灯亮，或有焦臭味等情况之一，应立即关断电源，进行检查，排除故障，再做实验。 对超过安全电压的电路，操作时人体要注意可靠的绝缘，养成单手操作，一次只操作电路中一个点的习惯，一般不得带电操作。 末经教师检查电路，不得擅自接通电源 。 实验结束后，待教师检查实验结果、验收仪器后，方能拆除电路，并整理仪器与用具，打扫场地。 对待电既不能怕，也不能盲目地不怕，一定要以科学的态度，严谨的作风去对待。 (4)电路联接的一般方法 (1)实验前必须看懂电路图，原理性电路图一般不能作为实验电路，必须用实验电路图。 (2)电路联接的一般方法： A 回路法：接线前看清电路中的各个回路，接先负载后电源的顺序一个回路一个回路地联结，回路接完了，整个电路也接好了。 B 节点法：接线前看清电路中的各个节点，依上述顺序接好各个节点，节点接完了，整个电路也就接好了。 C 接线时应用红色线或浅色线接电源正极，接高电位，用深色线接电源负极，接低电位。 §2 电磁学实验中的基本电器与误差计算 电磁学实验基础知识电磁学实验是物理实验的一个重要组成部分，它的实验方法和测量技术在科学技术的发展上占有极其重要的地位。通过实验，学习电磁学的一些基本物理量（如电流、电压、电阻电动势等）的典型测量方法，例如模拟法、伏安法、电桥法、补偿法、示波法等，使学生获得必要的电磁学实验知识以及实验技能的训练。培养学生具有下述实验能力：看懂电路图，能正确接线，会使用仪器进行测试，独立排除电路常见故障，处理数据，分析结果，编写实验报告以及按实验要求设计简单的线路等。电磁学实验中所用到的仪器仪表，不同于其它实验的仪器仪表，其使用方法有一定的特点，测量数据的读取以及误差估计也有特定的方法，而且仪器的维护和检测等也有特有的规律。下面先将实验中常用的基本仪器仪表进行介绍。一 几种常用仪表介绍1 直流电表实验室用的直流电表大部分是磁电式电表，它由表头与扩程电阻两部分组成。表头的作用是将通过它的电流变成指针或光点的偏转；扩程电阻的作用是将超过表头量程的那部分电流（或电压）进行分流（或分压）。1） 表头：极掌零点调整螺丝永久磁铁游丝指针标度盘1086420线圈图401它的内部构造如图3-0-1。永久磁铁的两个极上连着圆筒形的极掌。极掌之间有圆柱形铁芯，在极掌与铁心间的空隙处放有长方形线圈，它可以绕铁芯的轴偏转。线圈转轴上附有一根指针。当电流通过线圈时，线圈受电磁力矩而偏转，直到与游丝的反扭力矩平衡，线圈转角维持一定。转角大小与所通过的电流大小成正比，电流方向不同，偏转方向也不同。这是磁电式电表表头的基本特征。 表头的主要规格：a.满度电流：指针偏转指到满度时，线圈所通过的电流值。以I表示，一般表头满度电流为50A，100A，200A，和1mA。b.内阻：主要指图3-0-1中偏转线圈的电阻。以R表示，表头内阻由几十欧姆至数千欧姆。表头满度电流愈小，内阻愈大。2） 直流电压表（伏特表、毫伏表）用来测量电路中两点间电压的大小，它是由磁电式表头串联适当的电阻组成。如图3-0-2 (a)所示，将表头和电阻R串联以后，可将其量程扩大而成为电压表。改变R的数值，就可改变电压表的量程。直流电压表的主要规格：a.量程：指针偏转满度时的电压值。电压表常有多个量程。例如量程写为0-1.5-3-7.5V，就表示电压表有三个量程。b.内阻：电表两端之间的电阻。由于对于同一块电压表，各量程的每伏欧姆数都相同，所以电压表的内阻常以每伏欧姆数（/V）为单位，其数值等于表头内阻Ig的倒数,即1/ I=R/U。各量程的内阻可用下式计算内阻=量程×每伏欧姆数c.准确度等级：用电表的基本误差的百分数表示电表的准确度等级。例如一个0.5级的电表其基本误差为+0.5% 。用电表的准确度等级a及电表的量程Xm可以求出电表的最大允许误差Xm Xm = a%·Xm 电表的标度尺上所有分度线的基本误差都不超过Xm。3） 直流电流表（安培表、毫安表、微安表）用来测量电路中电流的大小。它是由磁电式表头并联适当电阻后，将其量程扩大而成为电流表。如图3-0-2 (b)所示，改变R的数值，就可改变电流表的量程。直流电流表的主要规格：a.量程：即指针偏转满度时的电流值。b.内阻：一般安培表的内阻都在0.1以下,毫安表、微安表内阻可达几百欧姆到几千欧姆。c.准确度等级。其规定与直流电压表的规定相同。电表的使用及注意事项：第一， 正确选择电表的准确度等级和量程。在使用电表时可根据电表的准确度等级求出测量值X的可能最大相对误差 r= a% 由上式看出测量值X愈接近电表的量程X，测量误差就愈接近电表准确度等级的百分数。当被测量值比选用的电表量程小很多时，测量误差将会很大。这点在使用电表时要特别注意。例如：一个0.5级,3V量程的电压表其基本误差为+0.5%,每个读数的最大误差不超过=3V×0.5%=0.015V .测量电压时,当电压表的读数为3V时,测量的相对误差为0.015V/3V=0.5%。而当电压表读数为2V时，测量的相对误差为0.015V/2V=0.75%。在选用电表时不应片面追求电表的准确度等级愈高愈好，而应该根据被测量的大小及对误差的要求，对电表准确度的等级及量程进行合理选择。为了充分利用电表准确度，被测的量应大于量程的三分之二。这时电表可能出现的最大相对误差为 r= a%= 1.5a% ，即测量误差不会超过准确度等级的百分数的1.5倍。在不知道被测电流或电压大小的情况下，应选用电表的最大量程，根据指针偏转情况逐渐调到合适的量程。第二， 电表的接入方法：电流表是用来测量电流的，使用时应当串接在被测电路中。电压表是用来测量电压的，使用时应当并联在被测电压的两端。第三， 电表的正负极不能接反，以免损坏指针。第四，在电表外壳上，有零点调节螺丝，见图3-0-1，通电前应检查并调节指针指零。有镜面的电表，在指针的像与指针相重合时，所对准的刻度才是电表的准确读数。读数时一般根据电表最小刻度可分的份数决定估读到最小刻度的1/41/10。第五，使用电表时，由于正常工作条件得不到满足，如温度、湿度、工作位置等条件不合要求而引起仪表指示值的误差，叫附加误差，因此在使用电表时除了基本误差外，还往往有附加误差。在使用电表时特别是比较精密的电表要注意工作条件，以减少附加误差。 2 旋转式电阻箱实验室常用的旋转式电阻箱有ZX21型与ZX36型两种。它们都是直流电阻箱，结构与使用方法大同小异。ZX21型电阻箱的外型结构如图3-0-3所示。旋转电阻箱上的旋钮，可以得到不同的电阻值。下面以ZX21型电阻箱为例，说明它的规格及使用方法。ZX21型电阻箱引入电阻的范围为099999.9，最小步进值为0.1。额定功率为0.25W。如×100档，是指每个100电阻的额定功率。因此指示500与600允许通过的电流都是 I=0.05A 可见，电阻值愈大的档，允许通过的电流愈小。过大的电流会使电阻发热，从而使电阻值不准确，甚至烧毁。下表是ZX21型电阻箱各档最大允许电流。表3-0-1 ZX21型电阻箱各档最大允许电流R/R×10000R×1000R×100R×10R×1R×0.1I/A0.0050.0150.050.1580.51.58电阻箱读数为各档示值与倍率乘积之和。根据电阻箱标称阻值的允许误差百分数。例如ZX21型的电阻箱为0.1级，即在环境温度为20+8,相对湿度小于80%条件下，允许误差为0.1%;若电阻为326时，允许误差为0.1%×326=0.3。电阻箱旋钮的接触电阻依等级不同而不同。ZX21型的每个电阻不大于0.002。在电阻值较大时，它引入的误差很小。但在低电阻时，它引入的误差不可忽视。为了减少接触电阻。ZX21型电阻箱增加了低电阻接头（图3-0-3 中的B和C接头）。当电阻小于10时，用A和C两个接头可使电流只流过×1和×0.1这两个旋钮，接触电阻限制在2×0.002=0.004以下；当电阻小于1时，用A和B接头可使接触电阻小于0.002。 允许误差和接触电阻误差之和就是电阻箱的主要误差。电阻箱主要用于电路中需要准确电阻值的地方。它还有可以很方便地改变阻值的优点。但因为额定功率很小，一般不用它控制电路中较大的电流或电压。3 滑线变阻器 滑线变阻器的构造如图3-0-4所示。电阻丝密绕在绝缘瓷管上，两端分别与固定在瓷管上的接线柱A和B相联。电阻丝上涂有绝缘物，使圈与圈之间互相绝缘。瓷管上方装有一根和瓷管平行的金属杆，一端联有接线柱C，杆上还套有接触器，它紧压在电阻圈上。接触器与线圈接触处的绝缘物已被刮掉。所以使接触器沿金属杆滑动就可以改变AC或BC之间的电阻。认识变阻器的结构很重要。为此，应把图3-0-4（a）和 (b)中的A，B，C三点互相对照。变阻器的规格：全电阻：即AB间电阻。额定电流：变阻器所允许通过的最大电流。变阻器在电路中经常用来控制电流或电压。用它可以联成制流电路和分压电路。4 直流电源 直流电源是向电路提供电能，以维持电流稳恒的装置。它有两个极，电势高的为正极，低的为负极，电路符号如图3-0-5 所示。1） 晶体管稳压电源这种电源的稳定性好，内阻小，输出连续可调，功率也比较大，使用时要注意它能输出的最大电压和电流。2） 干电池干电池是将化学能转化为电能的装置。在使用过程中其端电压会缓慢下降，长时间使用后内阻增大，端电压明显下降，必须更换。干电池使用灵活方便，实验仪器如多用表等常用它做内部电源。使用干电池应注意输出电流不可超过额定电流值，在较长时间不用的仪器要将内部的干电池取出，防止电池内液体流出而腐蚀仪器。5 开关开关是电路必不可少的元件，用以控制电路的通断或换接部分电路。1） 单刀单向开关图3-0-6 (a)为单刀单向开关的图形符号。它用以控制电路的通断。例如在图3-0-6 (b) 中K作电源的开关, K作为灵敏电流计的短路开关。2） 单刀双向开关图3-0-7 (a)为单刀双向开关的图形符号。它用以换接电路。例如，在图3-0-7（b）中，K投向A时电压表用来测量R两端的电压，投向C时则用来测量电源E的输出电压。3） 双刀双向开关图3-0-8（a）为双刀双向开关的符号。它的两刀安装在绝缘胶木（或瓷）上，能一齐转动。此种开关也是用作换接电路。例如，在图中3-0-8 (b)，开关投向AA边时R与交流电源F接通，而投向CC边时则R与直流电源E接通。4） 双刀换向开关图3-0-9 (a)为双刀换向开关的图形符号。 它是将双刀换向开关的两对角点A、C与A、C分别用导线连接构成。用以改变某部分电路电流的方向。例如，在 图3-0-9(b)中，开关投向AA时，B端极性为正，B端极性为负； 投向CC时，B端极性为负，B端极性为正。这样，改变开关的投向时，通过R的电流方向也跟着改变。电磁学实验电路的组成1。电源部分在实验电路中，电源用来向电路提供电能。它可分为交流电源与直流电源。电源应能提供稳定的输出电压，交流电源输出电压的波形不能失真。2。控制调节部分这部分用以控制电路的状态，例如可以用开关控制电路的通与断，在实验需要时还可改变电路的某些参量，例如调节分压器改变输出电压的大小，调节限流器改变电流的大小等。3.测量指示部分这部分用以测量某段电路的参量，例如，用电压表或电流表测量某部分电路的电压和电流等。4.被研究部分这部分可能只有一个元件，也可能由若干个元件组成。图3-0-10是测量电阻伏安特性的实验电路，电路的4个组成部分用虚线框分开，这些部分依次为电源部分、控制调节部分、测量指示部分和被研究部分。电磁学实验操作规程：为了保障人身安全及仪器的安全使用，为了培养良好的实验习惯，请注意遵守下列操作规程：1 课前预习，结合实验原理仔细分析电路，了解仪器的性能和使用方法，并按教师要求写出预习报告。2 实验时，要在理解电路的基础上，考虑到安全、操作和方便，应先摆放好仪器，再联接电路。联线时，应将电路分为主回路和支路，从电源一端开始时沿主回路按顺序进行，其次为支路；主回路中必需有开关。电源暂时不要接通，开关也要断开。3 联好电路后，应按以下要求检查一遍：电路联接是否正确，各接头是否接牢；仪表的正负端是否接对；量程是否合适；电阻箱数值是否放对；变阻器滑动端是否放在起始安全位置；开关是否打开等。自己检查无误，再请教师检查，经允许后才能接通电源进行实验。4 接通电源、合开关时，应采用跃接法（轻合开关，立即断开），同时观察各仪表反应是否正常，一切正常后才能紧合开关。实验过程中需要暂停、更换仪表、改换电路时，都应将各仪器调到安全位置，断开开关后再进行。5 实验过程中若仪器有异常现象，如有发光、异声、冒烟或焦糊味等，都要立即断开电源开关，拔下电源插头，并请教师处理。6 实验完毕，将仪表调到安全位置，断开开关，拔下电源插头。请教师检查实验数据后，再拆线，将仪表、导线整理好，放回原处。