电学测量工具“表头”的几个为什么

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  摘要:中学阶段所用的电流表、电压表、欧姆表、万用表都有一个共同的部分——表头,在实际应用中常有些许问题困扰着学生。笔者将其整理并在本文中做一简要说明。
  关键词:表头;物理教学;教师;学生
  中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1992-7711(2016)05-0127
  中学阶段所用的电流表、电压表、欧姆表、万用表都有一个共同的部分——表头,表头实质是一个直流微安表,有时也称电流计,内置在几十欧到几百欧间,允许通过的最大电流一般为几百微安。中学阶段所用这些表一般都是磁电式仪表,如图1所示,在实验时经常会遇到下列问题:
  第一,电流表中通入某一电流,指针偏转到某一角度立即停止,为什么没有因为铝框及所扰线圈的惯性二左右摆动?
  这是因为线圈是绕在铝框架上,线圈偏转时也带动框架在磁场中转动,由电磁感应现象可知,铝框架切割磁感线二产生感应电流——涡流,这个电流受到磁场安培力的作用,其方向与框架转向相反,能阻止动圈在平衡位置的左右摆动,这种作用称为阻尼作用。如果无此阻尼作用,则动圈因通电二偏转时,由于惯性二使指针在平衡位置左右摇摆一段时间才能停下了,如老式电流计就是这样的。
  第二,线圈所在的磁场是非匀强磁场,电流表的刻度为什么还是均匀的?
  线圈置于圆弧形的极拿和由软铁做成的圆柱体之间的气隙中,气隙中虽不是匀强磁场,但形成均匀辐射状磁场,如图2所示,切割磁场的线圈的横截面不论转到哪个位置,所在处的磁场方向总平行线圈平面,磁感应强度大小总是相等的。当线圈中电流为I时便受到一个力矩M=BNIS的作用而偏转(B为气隙中的磁感应强度,N为线圈的匝数,S为线圈面积),线圈转动,使线圈两端的螺旋弹簧(即游丝)变形,产生一个与偏转角α成正比的反作用力矩M′=k′α(k′为决定游丝弹性的扭转常数),当平衡时,BNIS=k′α,于是α=BNIS/k′=kI(式中B、N、S在测量机构确定后均为常数),指针的偏转角α仅与电流I成正比,故直流电流表、电压表刻度都是均匀的。
  第三,表头以及用表头改装后的电流表、电压表为什么只能测直流而不能直接用于测量交流电?
  这是因为气隙的磁场方向是不变的,动圈所受转矩的方向只决定于电流的方向,当通入交流电时,转矩方向不断改变,但因动圈惯性的影响,指针将赶不上转矩的迅速变化而静止不动,所以用于测量交流电时,必须附加镇流装置。
  (作者单位:陕西省安康市汉滨区江北高中 725000)
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