§2 电学实验基本知识

一、电源

电源是把其他形式的能量转变为电能的装置，也是向电子设备提供功率的装置。电源分直流电源和交流电源两种。

（一）直流电源

常用的直流电源有两种：一种是指化学能转变为电能的化学电池，如干电池；另一种是将交流电转变为直流电的晶体管直流稳压电源。直流电源用符号“DC”或“-”表示。各种稳压电源输出电压的大小由仪器面板上给出，一般直流稳压电源输出电压是连续可调的。使用电源时，要注意它的最大允许输出电压和电流，切不可超过。电源的接线柱上标有正负极，或用颜色加以区分（红色为正，黑色为负）。正极表示电流流出的方向，负极表示电流流入的方向。有些电源还有过载保护装置，并可设定过载电流阈值，在偶尔短路过载情况下，电源停止对外输出，直到外电路恢复正常，再重新开始工作。

（二）交流电源

常用的交流电源有两种：一种是单相220 V，频率为50 Hz，多用于照明和一般用电；另一种是三相380 V，频率为50 Hz，多用于驱动机器的电动机等动力用电。交流电源用符号“AC”或“～”表示。实验室中常利用交流稳压器来获得较稳定的交流电压。交流仪表的读数一般指有效值。交流220 V指有效值，其峰值为。使用电源时，应特别注意避免电源短路，即不能将电源两极直接接通。

二、电表

电测仪表的种类很多，根据结构原理不同，可分为磁电系仪表、电磁系仪表和电动系仪表等，其用途各不相同。在物理实验中常用的电表是磁电系电表。它不但可直接用于对直流电参量的测量，附加整流器后还可用来测量交流电参量；如增加相应的换能器，还可以对各种非电量进行电测。

（一）电流计（表头）

磁电系仪表是利用永久磁铁的磁场和载流线圈相互作用的原理制成的。其结构如图1.4.10所示。包括以下几部分：

（1）强磁力的永久磁铁。

（2）接永久磁铁两端的半圆筒形的“极掌”。

（3）圆柱形铁芯，它与两极掌间形成较小的气隙，以便减小磁阻，增强磁感应强度，并使磁场形成均匀的辐射状。

（4）处在气隙中的活动线圈（简称动圈），它是一个铝框上用很细的绝缘铜线绕制成的。

（5）装在转轴上的指针。

（6）产生反作用力矩的两个螺旋方向相反的“游丝”，游丝的一端固定在仪表内部的支架上，另一端固定在转轴上，并兼作电流的引线。

（7）固定在动圈两端的“半轴”，其轴尖支持在宝石轴承里，可以自由转动。

当动圈中有电流通过时，动圈与磁场相互作用，产生一定大小的磁力矩，使线圈发生偏转。同时与动圈固定在一起的游丝因动圈偏转而发生形变，产生恢复力矩，且随动圈偏转角的增加而增大。当恢复力矩增加到与磁力矩相等时，动圈停止运动，与动圈固定在一起的仪表指针在标度尺上指示出测量数值来。设I为通入动圈中的电流强度，N为动圈的匝数，A为动圈的截面积，B为气隙中的磁感应强度，则动圈所受的磁力矩为

若线圈偏转角度为α，则游丝产生的恢复力矩Mα与偏转角度成正比，故

式中，D为游丝的弹性恢复系数，它的大小与游丝材料的性质和尺寸有关。

当磁力矩与弹性恢复力矩达到平衡时，有

由式（1）与式（2）可得

令，则α=kI，系数k的大小仅与电表的结构有关。故式（4）表明在电表结构确定的情况下，线圈的偏转角α与线圈通过的电流强度成正比。可见，磁电系仪表标度尺的刻度是均匀的。系数k的值在数值上等于线圈中通以单位电流所引起的偏转角度，故称k为电表的灵敏度。

专门用来检验电路中有无电流通过的电流计称为检流计，分指针式和光点反射式两类。指针式检流计零点位于刻度盘中央，采用刀形指针式和反射镜相配合的读数装置，表面上还有零位调节旋钮和标有红、白圆点的锁扣。当锁扣打向红色圆点时，指针即被制动。必须注意：只有当锁扣放松（转到白点）时才能调零位调节旋钮。检流计除接线端外，还有“电计”按钮和“短路”按钮。若在使用过程中需要短时间将检流计与外电路接通，只要将“电计”按钮按下即可。若长时间接通，即可将“电计”按钮锁住。若使用中检流计指针不停地摆动，可将“短路”按钮按一下，指针便立即停止运动。检流计允许通过的电流为几十微安，只能作为电桥、电位差计的指零仪器。另一种光点反射式检流计可分为墙式和便携式两种，其数量级可达10-5～10-10A/格。

（二）电流表

由于电流计只能用来测量小电流和电压，或检查电路中有无电流，不能作为测量用，因此要想作为测电流的仪表，必须对其进行改装，即利用分流方法扩大量限，即在电流计中并联低值电阻。根据量限不同，分安培表、毫安表、微安表多种电流表，使用时必须串联在电路中。直流电流表的接线柱都标明了正、负，“+”端应接在线路中的高电位，“-”端应接在线路中的低电位。对于多量程电流表，有的用负端作为各量程的公共端，用“*”标记来表示。当加上整流器后，则可构成交流电流表。电流表的内阻越小，接入时对电路带来的系统误差越小。

（三）电压表

将电流计利用分压方法加以改装，扩大量限，就可改装成电压表。即在表头的线圈上串联附加的高电阻，可以改装成不同量限的电压表。使用时电压表并联在线路中。对于直流电压表，也要将“+”端接在线路中电位高的一端，“-”端接在电位低的一端。若配上整流器，则可构成交流电压表。电压表的内阻越大，接入时，对电路带来的系统误差就越小。

磁电系仪表除可构成交直流电流表和电压表以外，还可以构成欧姆表，或者把电压表、电流表和欧姆表组装在一起构成多用电表，常称万用表。万用表是电学实验中不可缺少的工具。

各种仪表都有一定的规格，表示它们的结构类型、选用材料、性能和工作条件。我国电气仪表面板上的符号标记如表1.4.1所示。

根据《GB 776—1976电气测量仪表通用技术条件》的规定，电表的准确度等级（或称精度等级）应为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0七个等级。它是根据电表在规定条件下工作时，电表指针指示任一测量值可能出现的最大（基本）绝对误差与电表满标值的比值来确定的，若用Δ Am表示最大（基本）绝对误差，用Am表示电表的量程（即满标值），用k表示电表的准确度等级，则有Δ Am=Am·k%。

例如，当Δ Am=0.5mA时，若满标值为100mA，则

该表的准确度等级为0.5级。

对于多量程电表，由于级别已确定，则是量程越大，最大（基本）绝对误差也越大，如对0.5级的电流表，量程为30mA时，最大（基本）绝对误差为

Δ I=30×0.5%=0.15（mA）

当量程为150mA时，最大（基本）绝对误差为

Δ I′=150×0.5%=0.75（mA）

显然，如用量程为150mA的电表去测量30mA的电流，其相对误差要高达。因此，必须选择与测量值接近的量程读数。另外，对于同一级别同一量程的电表，由于最大（基本）绝对误差已确定，因此读数越小，相对误差越大。

使用电表时，不允许测量值超过量程，否则易将电表烧坏。对于多量程的电表，在不知道测量值范围时，为了安全起见，一般先接大量程，在得出测量值的范围后，应换接与测量值接近的量程，以减少测量值的相对误差。

电表正确读数：测量前将电表指针对准零线；读数时电表标尺上若有镜子，应以指针与镜中的像重合时指针所指读数为准；若标尺没有镜子，应以刀形指针正面看去与刻度线重合为准，即注意消除视差。记录时应遵守有效数字规定。

现在，随着电子技术的发展，一种原理上与常规电工仪表不同的数字式仪表也开始大量使用。常用的是数字电压表与数字万用表。

三、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。电阻的种类很多，下面介绍常用的几种。

（一）滑线变阻器

（1）限流接法：用滑线变阻器改变电流的接法。即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（或B）移动时，A、C（或B、C）间的电阻减小；当滑动接头C向B（或A）移动时，A、C（或B、C）间的电阻增大。可见，移动滑动接头C就改变了A、C（或B、C）间的电阻，也就改变了电路中的总电阻，从而改变了电路中的电流。

（2）分压接法：用滑线变阻器改变电压接法。即变阻器两个固定端A、B分别与电源的两极相连，由滑动端和任一固定端B（或A）将电压引出来，由于电流通过变阻器的全部电阻，故A、B之间任意两点都有电位差，当滑动接头C向A移动时，C、B间电压VCB增大；当滑动头C向B移动时，C、B间的电压VCB减小。可见，改变滑动头C的位置，就改变C、B（或C、A）间的电压。

必须注意：开始实验前，在限流接法中，变阻器的滑动端应放在电阻最大的位置；在分压接法中，变阻器的滑动端应放在分出电压最小的位置。

（二）电位器

小型变阻器常称为电位器，其原理与滑线变阻器相似。电位器的额定功率很小，只有零点几瓦到数瓦。

（三）电阻箱

常用的旋转式电阻箱，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换向开关位置上构成的，利用电阻箱可以在电路中准确调节电阻。在箱面上有六个旋钮和四个接线柱，每个旋钮盘上都标有0～9数字，每个旋钮盘前刻有标志，并有×0.1,×1,×10, …,×10000等字样，也称倍率。当某个旋钮上的数字对准其所示倍率时，用倍率乘上旋钮上的数字，即所需的电阻值。四个接线柱上标有0、0.9Ω、9.9Ω、9999.9Ω等字样。表示0与0.9Ω两接线柱的阻值调节范围为0.1～9×0.1Ω，以此类推。在使用时，根据需要选择调节范围，可以避免电阻箱其余部分的接触电阻和导线对低电阻带来不可忽略的误差。

与直读式仪表相似，电阻箱也可根据其误差大小分为若干个准确度等级，分为0.02、0.05、0.1、0.2和0.5五个等级。电阻箱的仪器误差常用下面公式计算

绝对误差：ΔR仪=±（aR+bm）%

相对误差

式中，a为电阻箱的准确度等级；R为电阻箱指示值；b为与准确度等级有关的系数；m为所使用的电阻箱的旋钮数。表1.4.2所示为不同等级的电阻箱的相对误差的大小。

（四）固定电阻

阻值不能调节的电阻器叫固定电阻。也分为碳膜电阻和绕线电阻等多种。各种电阻都有一定的使用条件。每种电阻都注明了阻值的大小和允许通过的电流（或功率），使用时切勿超过此限制。

四、开关

开关是电学实验种不可缺少的元件，常用开关有单刀单掷开关、单刀双掷开关等。

五、电学实验的操作规程

（一）准备

实验前必须明确本次实验要测量哪些物理量，使用哪些仪器、仪表，搞清楚其规格和量程。对电路原理图，应明确了解其工作原理和电流走向。

（二）电路连接

在理解电路原理图的基础上，按电路图连接线路。连接电路时，应先确认仪器都处于关闭状态，并将所有仪器、器件大致摆好，从电源正极开始（电源接线应最后连接，只是把电源接头留出），然后通过开关，按电流的流向连接其他电器，最后回到负极。不要放置一个元件连接一个元件，否则电路连接完毕后会出现诸多问题：容易出错，且操作和观察不便；为方便操作和观察改变器件位置后引起的线路混乱、连接松动等问题。连接线路时应注意一个接线柱上不要超过三个接片，以保证连接的可靠性。

电路接好后，自己应依照电路原理图仔细检查电路。应一个回路一个回路地进行检查，避免遗漏。常见的错误是未构成回路，即电路中的某些器件连接成为独立的支路，电流无法通过其流回电源负极。在确认电路连接无误后，再请指导教师检查，检查通过后，才允许打开电源通电做实验。坚持“最后上电，最先断电，不要带电操作”的原则。

（三）线路故障的排除

在自己或指导教师确认电路连接有问题，或在实验过程中电路出现故障表现时，如电源已连接，应立即断开开关，关闭并拆除电源，然后再思考如何排除故障，切忌带电检查线路。

（四）实验过程中

开始实验前，先将限流电阻放在最大位置，分压电阻放在分压最小位置，然后瞬时闭合开关（通电），观察仪表反应是否正常（如电表量程是否合适、指针是否反转、有无焦臭味等），并准备切断电源。直到一切正常，才正式测量。实验过程中需要更换电路时，应将电路中各仪器拨到安全位置，然后断开开关，关闭并拆去电源，再改接电路。并重新经指导教师检查，检查通过后，才能开机加电继续做实验。

（五）实验完毕

实验完毕后，应将电路中仪器拨到安全位置，切断电源后再拆掉电路。要养成“先接电路，后接电源；先断电源，后拆电路”的习惯。拆解电路后，将所有设备摆放整齐。

（六）安全

实验前，对所使用的不同电源要清楚区分，严禁乱接电源。连接线路后，严禁未经指导教师检查同意，擅自开机加电。实验过程中，切忌用手或身体直接接触电路中的导体部分。进行任何电路修改，必须在关闭开关、关闭并拆除电源后进行，完成后重新找指导教师检查通过方可加电继续实验。