实验简介

在当今科学和技术应用中，电学测量起着非常重要的作用。无论是物理、化学还是生物医学的各种精密测量仪器中都不可缺少地会使用到电学仪表。在实验室和工程技术应用中测量电流一般采用模拟式和数字式两大类仪表。本实验的目的是了解模拟式安培计的原理和应用条件；通过测量固定电阻，可变电阻及二极管非线性电阻，学习掌握直流电路及其应用。

 

实验原理

n        直流安培计和伏特计

实验室用的电表大部分式磁电式电表，它的结构如图1所示。在永久磁铁的两个磁掌(2)和圆柱形铁心(3)之间的空隙磁场中有一个可转动的线圈(4)。当线圈中有被测电流通过时，线圈在磁场的作用下发生偏转，直到和游丝(6)的反作用力矩相平衡为止。偏转角的大小与通过线圈的电流成正比，并由指针(5)指示出来。

图1  磁电式仪表结构

1-永久磁铁；2-极掌；3-圆柱形铁心；4-线圈

5-指针；6-游丝；7-半轴；8-调零螺杆；9-平衡锤

图2  将表头改装成安培计

磁电式电表表头指针偏转满度时的电流很小，只适于测量微安级或毫安级电流。若要测量较大的电流则需要扩大电表的量程。扩大量程的办法是在电表表头两端并联电阻R_p，使超过电表表头承受力的电流由并联电阻上流过。R_p称为分流电阻，这样用表头和R_p组合成的整体就是直流安培计，由图2可知

可得

其中R_G为电表表头的内阻。选用不同的R_p可组成不同量程的直流安培计。一般直流安培计的内阻从0.1W(安培计)到几百欧姆(毫安计)甚至几千欧姆(微安计)。

使用磁电式电表表头还可以组成伏特计。由于表头满度电压也很小，一般只有零点几伏。为了测量较大的电压，就需要在电表表头上串联电阻R_S，使超过电表表头所承受的电压降落在电阻R_S上。表头和串联电阻的整体就组成直流伏特计，如图3所示。

图3  将表头改装成伏特计

V_s = I_s R_s = V - V_G 即得

 选择适当的R_S就可组成不同量程的直流伏特计。直流伏特计的内阻一般用W/V表示。各量程内阻=量程´每伏欧姆数。

 

n        直流电路的测量

在直流电路的测量中，根据欧姆定律，测量通过待测元件的电流I和该元件两端的电压V即可求出元件的电阻R，即R = V / I，这种方法称为伏安法。测量中直流安培计串联在电路中，直流伏特计并联在待测元件两端，如图4。由于直流电表实际存在内阻，故电表的接入会引入测量误差。根据测量要求可采用安培计内接法[图4(a)]或安培计外接法[图4(b)]。

图4  测量电路的接法

用内接法由安培计内阻计入的测量误差如表1。当R ≥ 100R_A时，由安培计内阻引入的测量误差ΔR / R ≤ 1%，此时宜使用安培计内接法，这种方法适合于较大电阻的测量。

表1 用内接法时安培计内阻引入的误差

用安培计外接法电路，由伏特计内阻R_V引入的测量误差如表2所示。当R ≤ 100R_V时，外接法才有足够的准确度ΔR / R ≤ 1%。这种方法适合于较小电阻的测量。

表2 用外接法时伏特计内阻引入的误差

 

n        制流电路和分压电路

在直流电路中使用滑线电阻器可以控制电路中的电流或电压。滑线电阻器是一种可变电阻器，有三个接线端A及B。和可变端C，如图5，改变C端的位置即可取得可变电阻。

图5  滑线电阻器

图6是制流电路，将可变电阻器的A，C端接入电路中，改变C的位置就可改变电路中电流的大小。当C滑至B端时，可变电阻全部接入电路，电路中电流最小，当C滑至A端时，可变电阻器的电阻为零，电路中电流最大。

图6  制流电路

图7  分压电路

图7是分压电路，将可变电阻器的A、B端与电路电源并联连接。滑线端C及一个固定端A与待测电阻并联连接。接通电流后A、B端电压为电源电压，B、C端电压为电源电压的一部分。随着C端位置的改变，V_BC = 0。因此可以调节输出电压为从零到电流电压之间的任何数值。

 

学习重点

n        掌握模拟式电流表的原理和使用。

n        学习电流测量中的内接法和外接法。

n        用二极管伏安特性曲线测量波尔兹曼常数K。

 

实验仪器

伏特表，毫安表， 微安表、可变电阻箱、滑线变阻器，二极管，小灯泡，稳压电源。

 

实验内容

n        电阻测量

按图8，选择适当的待测电阻R_X。移动滑线电阻可变端C，使电压变化为0~6V，测量对应的电流值(多于6个测量值)。用欧姆定律求出R_X的平均值，做出伏安特性曲线，并求出R_X。

图8  用分压电路测电阻

n        测量钨丝小灯泡的电阻

 按图9接线，移动可变端C，使电压在0~6V中变化，测量对应的电流(多于6个测量值)。求出对应各点的R_灯 (小灯泡电阻)。用双对数坐标纸做出R_灯的伏安特性曲线。与公式V = K I ⁿ比较，求出K和n。

图9  用制流电路测伏安特性

 

n        测量二极管的伏安特性曲线

按图8接线，将R_X改为二极管并反向连接。电流电压为0~20V。每隔2V测一个电流值，求出二极管反向伏安特性。

按图9接线，将小灯泡改用二极管正向接法(注意电路中加一个几十欧姆的保护电阻)。从0.2V开始，每隔0.05V测一次，至电流较大(10mA左右)为止，画出二极管正向伏安特性曲线。

n        测量玻尔兹曼常数

二极管伏安特性曲线可表示为

式中I₀可用测量的反向电流代替，V为所加电压，T为热力学温度，e为电子电量(1.6022´10^-19)，k为玻尔兹曼常数。使用实验内容3的测量数据，用公式法或作图法求出k。

 

设计性内容

n        将量程的微安表改装成10伏的电压表，并以改装表读数为横坐标，改装表与标准表的读数差为纵坐标，作校准曲线。

n        将上述微安表改装成的毫安表，并作校正曲线即曲线，。

注意事项

n        电路不同连接方法的应用情况和误差。

n        测二极管反相伏安曲线时快到击穿电压时注意取点要适当多一些。

 

思考题

测量二极管的正向特性为什么采用制流电路和外接法，改用图8的电路是否可行。为什么?