第二节

电磁学实验基本仪器及实验操作规程

电磁学实验是大学物理实验的重要组成部分，是培养学生科学思维能力、动手能力和创新意识的重要载体，它通过学习电磁学中典型的实验方法，例如模拟法、伏安法、电桥法、补偿法、冲击法等，训练学生的基本实验技能，培养看图、正确连接线路和分析判断实验故障的能力。同时，通过实际的观察和测量，掌握电磁学基本测量仪器的使用方法，进一步认识和掌握电磁学理论的基本规律。

电磁学实验的测量对象除了电磁量外，还可以通过各种传感器把非电学量转化为电学量来进行测量。电磁测量通常都要借助各种电学仪器、仪表来进行，为此，必须首先了解常用基本仪器的性能，掌握仪器布置和线路连接的要领。下面对一些常用的基本仪器及接线要领作简单的介绍。

一、常用电源

电源是把其他形式的能量转变为电能的装置。常用的电源分直流和交流两类。

1.直流电源

用符号“DC”或“―”表示直流电，常用的直流电源有干电池、晶体管直流稳压电源和铅蓄电池。在电路中，用“ ”表示直流电源，在使用时，一定要认准电源的正负极，否则会损坏电源。

干电池的电动势一般为1.5 V，使用时如果外壳发潮、漏液，应及时更换。

铅蓄电池的正常电动势为2 V，额定供电电流约为2 A，多个并联可得到较大电流，输出电压比较稳定。使用时须注意，当其电动势降到1.8 V时，应及时充电；另外，蓄电池即使未用也需要每隔2~3星期充电一次。平时要注意蓄电池的维护工作，防止电解液外流。

直流稳压电源的型号繁多，外形各异，但结构上都是由变压器、晶体管、电阻和电容等电子元件按一定的线路组装而成的。它的电压稳定性好，内阻小，输出功率较大，使用方便。只要接到交流电源（220 V）上，就能输出电压连续可调的直流电，输出电压和电流的大小可由仪器读出。使用时，切不可超过它的最大允许输出电压和电流值。

2.交流电源

用符号“AC”或“~”表示交流电。常用的电网电源是交流电源，有380 V和220 V等，频率为50 Hz。在电路中交流电源用符号“ ”表示。交流电的电压可通过变压器来调节。交流仪表的读数一般指有效值，例如市电电压220 V就是指有效值，其最大值为 。

使用电源时，应特别注意不能使电源短路，否则会损坏电源。

二、电阻

为了改变电路中的电流和电压，或作为特定电路的组成部分，在电路中经常需要接入各种大小不同的电阻。电阻分为固定电阻和可变电阻两类。下面着重介绍两种可变电阻——滑线变阻器和旋转式电阻箱的结构和用法。

1.滑线变阻器

滑线变阻器的外形和结构如图 2-2-1 所示。把电阻丝（如镍铬丝）绕在陶瓷筒上，然后将电阻丝两端和接线柱 A 、 B 相连，因此 A 、 B 之间的电阻即为总电阻。在陶瓷筒上方的滑动接头 C 可在粗铜棒上移动，它的下端始终和陶瓷筒上的电阻丝接触。改变滑动接头 C 的位置，就可以改变 AC 或 BC 之间的电阻。

滑线变阻器在电路中的两种接法。

（1）限流接法（限流器）：如图2-2-2（a）所示，将变阻器中的任一个固定端 A （或 B ），与滑动端 C 串联在电路中，当滑动接头 C 向 A 移动时， A 、 C 间电阻减小；当滑动接头 C 向 B 移动时， A 、 C 间的电阻增大。可见，移动滑动接头 C 就改变了 A 、 C 间的电阻，也就改变了电路中的总电阻，从而使电路中的电流发生变化。

（2）分压接法（分压器）：如图2-2-2（b）所示，将变阻器的两个固定端 A 、 B 分别与电源的两极相连，由滑动端 C 和任一固定端 B （或 A ）将电压引出。当滑动接头 C 向 B 移动时， B 、 C 间的电压 U _BC 减小。可见，改变滑动接头 C 的位置，就改变了 B 、 C （或 A 、 C ）间的电压。

应该注意的是，在开始实验以前，在限流接法中，变阻器的滑动端 C 应放在电阻最大的位置 B ；在分压接法中，变阻器的滑动端 C 应放在分出电压最小的位置 B 。

2.旋转式电阻箱

电阻箱是由若干个准确的固定电阻元件，按照一定的组合方式接在特殊的交换开关装置上构成的。利用电阻箱可以在电路中准确调节电阻值。准确度级别高的电阻箱还可作为任意值的电阻标准量具。图2-2-3为某一电阻箱的内部电路和面板示意图。在箱面上有6个旋钮和4个接线柱，每个旋钮的边缘上都标有0、1、2、3、…、9，靠近旋钮边缘的面板上刻有标志，并有×0.1、×1、…、×10000等字样，这称为倍率。当某个旋钮上的数字旋到对准其所示的倍率时，用倍率乘上旋钮上的数字，即为所对应的电阻。在使用时，如需要0到99999.9Ω的阻值变化，只需将导线接到“0”和“99999.9Ω”两个接线柱上。如图2-2-3（b）所示的电阻箱面板上每个旋钮所对应的电阻分别为3×0.1、4×1、5×10、6×100、7×1000、8×10000，总电阻为3×0.1+4×1+5×10+6×100+7×1000+8×10000＝87654.3（Ω）。这种接法，可以避免电阻箱其余部分的接触电阻和导线电阻对低阻值带来不可忽略的影响。电阻箱各挡电阻容许通过的电流是不同的。现以zx21型电阻箱为例，其额定功率 p ＝0.25w，当电阻示值为 R 时，允许通过的最大电流为 I _m ＝ 。

电阻箱参数表如表2-2-1所示。

电阻箱的准确度等级分为0.02、0.05、0.1、0.2和0.5共五个等级。电阻箱的仪器误差限 Δ _仪 可由下式计算：

式中： a 为电阻箱的准确度等级； R 为电阻箱示值； b 为与准确度相关联的参数； m 是所使用的电阻箱的旋钮个数。不同等级的电阻箱的仪器误差极限如表2-2-2所示。

三、电表

电表可以分为交流电表和直流电表，在使用时，两者不能混用。除了要注意表的类型外，还要注意选择合适的量程。

在物理实验中，常用的电表绝大多数都是磁电式仪表，其读数靠指针在标尺上的偏转来显示。这种仪表只适用于直流电，具有灵敏度高、刻度均匀、便于读数等优点。下面对电表作一简单介绍。

1.电流计（表头）

电流计又称表头，是利用通电线圈在永久磁铁的磁场中受到力偶作用发生偏转的原理制成的。在磁场、线圈面积和线圈匝数一定时，偏转角度与电流的大小成正比。它的结构如图2-2-4所示。与游丝连接的可动线圈置于磁场中，线圈通电后受到磁力矩的作用而绕轴转动，游丝随着发生扭转变形，由于游丝是螺旋形弹簧，具有恢复原状的特性，因此对转轴会产生反作用力矩，当反作用力矩与磁力矩平衡时，线圈停止转动，指针指向一定的位置。这时指针偏转的角度与通电电流成正比，所以可以在刻度盘上将指针偏转的角度显示为电流的大小。

为了使仪表指针开始在零位置，通常还有一个“调零器”，它的一端与游丝相连。如果在使用前仪表的指针不指向零位，可用起子调节露在表壳外面的调零螺杆，使仪表指针逐渐趋近于零位。

电流计（表头）可用于检验电路中有无电流通过，它能直接测量的电流在几十微安到几十毫安之间。如果用它来测量较大的电流，必须加分流器。

专门用来检验电路中有无电流通过的电流计称为检流计，它分为指针式和光电反射式两类。

（1）指针式检流计

指针式检流计的特点是其零点位于刻度盘中央，未通电流时，指针正对零点。通电流后，随电流方向的不同可以左右偏转。检流计常处于断开状态，仅当按下按钮时，检流计才接入电路中。因此用它来检验电路中有无电流，十分方便。

以AC5／4型检流计为例，其面板示意图如图2-2-5所示，在使用时为了保护检流计，常在其两端串联一个大电阻。面板中间的表针锁扣置于红色圆点位置时，可以把表针锁住，便于保护检流计的扭丝。使用时，则将表针锁扣由红色圆点拨向白色圆点，按下“电计”按钮接通检流计电路，若指针发生偏转，立即松开“电计”按钮，指针偏转的方向即是电流流进检流计的方向。如果松开“电计”按钮后，指针出现左右晃动现象，此时可按下“短路”按钮，此时指针晃动能很快停下来。另外，“电计”和“短路”按钮也可变为常闭，只需按住按钮右旋，要想恢复常开，则按住左旋即可。

（2）光电反射式检流计

光电反射式检流计可分为墙式和便携式两种。便携式（如AC15型直流复射式检流计）使用较方便，常用作电桥、电势差计等的指零仪器，或用来测量小电流和小电压。

AC15型直流复射式检流计主要由磁场部分、偏转部分和读数部分组成，内部结构如图2-2-6（a）所示。上、下两根拉紧的可导电张丝将动圈置于均匀辐射状磁场中，如图2-2-6（b）所示。灯泡发出的光经凸透镜后变成平行光，再经过中央有一条竖直细丝的光阑后，使通过光阑的圆形光斑中央有一条黑色竖直线而形成光标，光标经多次来回反射后照到标度尺上。这样一来，动圈和小镜只要有微小的偏转，就可观测到标度尺上光标的移动，从而提高了检流计的灵敏度。

AC15／4型检流计的面板如图2-2-7所示，使用方法和注意事项如下：

①接通电源前，应先检查电源插头是否插在检流计后面板的“220V”插口里，电源开关置于“220V”一侧。特别要防止将220V市电插入后面板的“6V”插口里。

②接通电源后，在标度尺上应有光标出现。如果找不到光标，可将“分流器”置于“直接”挡，观察光标的踪迹，调节“零点调节”旋钮，将光标调到标度尺中央。

③检流计的“零点调节”为零点粗调，标度尺右下角有一金属小柱为“零点细调”。可左右移动小柱体，将光标的竖线与标度尺的零分度线对齐。

④“分流器”的“×1”“×0.1”“×0.01”三挡是改变灵敏度用的。测量时应从灵敏度最低的“×0.01”挡开始。若偏转不大，方可逐步增加灵敏度。“×1”挡灵敏度最高，此挡的分度值才是检流计的标称分度值，而使用“×0.1”和“×0.01”挡时，分度值分别为标称值的10倍和100倍。

当检流计的光标来回振动，或改变外电路、移动检流计和使用结束时，都应将“分流器”置于“短路”挡，使检流计的动圈短路，利用电磁阻尼保护检流计。

2.电流表（安培表）

如图2-2-8所示，在表头线圈上并联一个阻值很小的分流电阻，就成了电流表。使用电流表时，应把它串联在待测电流的电路中，并使电流从电流表的正端流入，负端流出。

3.电压表（伏特表）

如图2-2-9所示，在表头线圈上串联一个高电阻，就成了电压表。使用时，应把电压表并联在待测电压的两端，并将电压表的正端接在电位高的一端，负端接在电位低的一端。

使用电流表和电压表时，应注意电表的量程，不得使测量值超过量程，否则易将电表烧坏。对于多量程的电表，在不知道被测量值的范围时，为了安全考虑，一般应先接大量程；在得出测量值的范围后，应换接与被测量值最接近的量程，以获得更精确的测量值。测量值 A 按下式计算

式中： a 为该量程可测量的最大值； N 为该量程对应的分度线的总分度数； n 为电表指针指示的读数（分度数）。

4.数字式电表

随着半导体工业和电子技术的发展，尤其是大规模和超大规模集成电路的发展，电子测量仪表走向数字化，并日益普及。数字电表是采用数字化技术将待测的模拟量转化为数字量，经过检测和数据处理后，自动地将测量结果以数字形式显示出来。

数字式电表具有准确度高、灵敏度高、测量范围广、显示清晰、测量速度快、对电路的影响小、电路集成度高、整体功耗低、具有数码信息输出功能等优点，可以把测量结果在存储器中长期保留，还具有与计算机、打印机相连接等扩展功能。物理实验教学中常用的数字式电表可用来测量直流电压和电流、交流电压和电流、电阻、电容、温度、频率、逻辑电平、二极管正向压降、晶体三极管参数等。

常用的数字式电表显示位数一般有 位、 位、 位等。例如： 位电压表表头如图2-2-10所示，右边三位可显示0~9共10个不同的数字，左边只能显示0或1，就是所谓的“ ”位。当 位数字表量程为1．999V时，其最小分度为0．001V。如果上述表头输入端加上一个放大倍数为10倍的电压放大电路，分度值就变成0．1mV，表的量程变为0．1999V。普通物理实验室中常用的数字表是 位或 位，在需要精密测量的场合，可以使用 位数字电压表，其分度值可以达到0．1μV。

数字式电表的总误差为多种误差的综合，其误差限 Δ _仪 （即数字式电表的准确度等级）的一般表示方式为

其中： a 为误差的相对项系数； U _x 为读数值； n 为数字。 a 、 n 的具体值可参考仪器使用说明书。

5.电表使用时的注意事项

（1）选表

在使用电表时，首先要根据测量的需要正确选择电表，除了要分清电流表、电压表和欧姆表外，还要分清交流表还是直流表，表面上通常有符号：“-”表示直流，“~”表示交流，“ ”表示交直流两用。

（2）表的允许使用状态

电表表面上通常规定了电表使用时的放置方位，如果不按规定方位放置电表，将会给测量带来附加的不确定度。放置方位规定如表2-2-3所示。

（3）量程选择

正确选择电表后，还要根据测量的需要选择合适的量程，量程是电表能够测量的物理量的最大值，除了单量程的电表外，大多数电表都有多个测量挡位，称为多量程电表。电表上不同的接线柱（或插孔）对应不同的量程，被测量值不能超过电表量程，否则会损坏电表。因此在不知道被测量值的大小时，通常用最大的量程去测试，然后再逐步选择合适的量程。

（4）读数

在测量前，首先要将电表指针调零。电表指针下有一平面镜，读数时要做到“三线合一”，即视线、表针和表针在镜中的像重合。

除了单量程外，测量值一般不能直接从表面刻度上读出，而要根据量程把表面示数乘上某一系数后才能得到，这个系数等于所用量程除以表面的最大刻度。

例如，一个表面刻度为150 mV的电压表，有三个量程：0~75 mV、0~150 mV、0~300 mV，用此表的不同量程测量时，测量值计算方法如表2-2-4所示。

（5）准确度等级

根据国家标准GB／T7676—1998，电表的准确度等级分为0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0八级。准确度为 k 级的电表，简称为 k 级电表，它表示在规定的测量条件下，使用该电表测量时，其测量值的最大不确定度为

式中， A _m 是所用电表的量程。

例如，用0．5级的电流表测量电流，此表有若干个量程，若选用150 mV量程挡，测量值为100 mV，最大不确定度 ，相对不确定度为 ＝ U m 08％．，测量结果表示为 I ＝（100．0±0．8）mA。

可以验证，量程用得越大，电表示数的不确定度就越大。所以，测量时在不超过量程的前提下，应尽可能采用较小的量程，使电表指针尽可能接近满度。

（6）电表上的其他符号

电表上还有一些其他符号也需要了解，见表2-2-5。在特殊场合使用电表时，应当注意。

四、开关

电键也叫开关，在电路中的作用是接通或切断电源以及变换电路，实验中常用的开关分为单刀单掷、单刀双掷、双刀双掷、双刀换向开关等，它们在电路中的符号如图2-2-11所示。

其中双刀换向开关的作用是改变电路中某段电路的电位方向或电流方向，具体作用如图 2-2-12 所示。当双刀换向开关拨向 BB′ 时， A 、 B 相连， A′ 、 B′ 相连，流过电阻 R 的电流方向为 F → G ；当双刀换向开关拨向 CC′ 时， A 、 C 相连， A′ 、 C′ 相连，流过电阻 R 的电流方向为 G → F 。

五、仪器布置和线路连接

在电学实验中，实验仪器的布置和线路的正确连接是非常重要的，仪器布置不恰当，实验时就不顺手，而且容易造成接线混乱、不便于检查线路，还可能造成事故。因此，有必要学习和训练仪器布置和连接线路方面的技能。连线的基本原则是电流表串联，电压表并联，直流电表分清正负极。

（1）在电磁学实验中，各种仪器都是用一定的图形符号表示（表2-2-6），并用直线将它们连接起来。接线时，首先必须了解电路图中每个符号所代表的仪器的接线要求和特点，然后按照“走线合理、操作方便、易于观察、实验安全”的原则布置仪器。仪器设备不一定要完全按照实验电路中的相应位置一一对应；而一般是将经常用或要读数的仪器放在近处，其他仪器放在远处；高压电源要远离人身。

（2）从电源正极开始按回路接线，当电路复杂时，可把它按图形分成几个回路，先接完一个回路，再依次连接其他回路，接线时应充分利用电路中的等位点，避免在一个接线柱上集中过多的导线连接片（一般不宜超过三个）。

（3）电磁学实验大都使用多种仪器，如果接线不正确又随意接电源，将会造成仪器损坏。因此，必须遵守“先接线路，后接电源；先断电源，后拆线路”的操作规程。按电路图接好电路后，先自行检查一遍，再请教师复查和指导，然后才能接通电源。接电源时，必须全局观察整个线路上的所有仪器，如发现有不正常现象（如指针超出电表的量限、指针反转、有焦味等），应立刻切断电源、重新检查、分析原因。若电路正常，可用较小的电压或电流先观察实验现象，然后逐步将电压调到正常再开始测量数据。

（4）测得实验数据后，应当用理论知识来判断数据是否合理、有无遗漏，是否达到预期的目的，在自己确认并经教师复核后，方可拆除线路，并整理好仪器用具。