常用电磁学实验仪器-大学物理实验

1.电源

（1）直流电源

1）直流稳压电源。直流稳压电源的特点是内阻小，输出功率较大，电压稳定性好，而且输出电压连续可调，使用十分方便。它的主要参数是最大输出电压和最大输出电流，如DH1718C、DH-VC1型直流稳压电源的最大输出电压为30V，最大输出电流为0.5A。

图2-17　直流恒压源恒流源DH-VC1面板图

2）干电池。电动势约为1.5V，内阻小，短时间内电压稳定性好，但是使用时间长了电动势下降得很快，而且内阻也随之增大。

3）蓄电池。是将化学能直接转化成电能的一种装置，是按可再充电设计的电池，通过可逆的化学反应实现其再充电，通常是指铅酸蓄电池。铅蓄电池的特点是输出电压比较稳定，储藏的电能较多，但需经常充电，比较麻烦。

（2）交流电源

交流电源一般使用50Hz的单相或三相交流电。市电每相220V，这是指的有效电压，峰值电压为311V。如果要求用高于或低于220V的单相交流电压，可使用变压器将电压升高或降低至所需要的值。

在使用交流电时，应注意电压高于36V的为危险电压，触及人体会有生命危险。

注意：严防电源短路；使用时注意不得超过电源的额定输出功率；对直流电源要注意极性的正负，常用“红”端表示正极，“黑”端表示负极。

2.电表

电表的种类很多。在电学实验中，以磁电式电表应用最广。其读数靠指针在分度线上的偏转来显示。磁电式电表具有灵敏度高，刻度均匀，便于读数等优点，适合于直流电路的测量，是物理实验室最常用的仪表之一。如果加上相应的变压器，还能用来测量交流电量或各种非电量。

（1）表头

表头是磁电式电表的核心部分，所有磁电式电表均由表头与电阻元件组成。表头结构如图2-18所示，永久磁铁的两个极上连着带圆孔的“极掌”，极掌之间装有圆柱形软铁制的铁芯，极掌和铁芯之间的空隙有很强的均匀磁场，磁力线以圆柱的轴线为中心呈均匀辐射状且垂直于软铁铁芯的圆柱面。在圆柱形铁芯和极掌间空隙处放有长方形线圈，两端固定了转轴和指针，当线圈中有电流通过时，在电磁力矩的作用下发生偏转，同时固定在转轴上的游丝产生反方向的扭力矩。当两者达到平衡时，线圈停在某一位置，偏转角的大小与通入线圈的电流成正比，因此根据偏转的角度就可以确定通过的电流大小，而且电流方向不同，线圈的偏转方向也不同。因此，表头实际上是一个小量程电流表，可以测量微弱电流。通过理论计算并联适当电阻后，可以将表头改装成各种量程的电流表；串联适当的电阻后，可改装成不同的电压表。

图2-18　磁电式电表的表头结构图

磁电式电表的主要规格指量程、内阻和准确度等级。它的某些技术指标、性能、使用条件等常用符号在表盘上，利用这些符号能说明电表的电源类别、工作原理、名称、误差和工作时如何放置等。具体的符号和意义见表2-6。

表2-6　常见电工符号及其意义

（2）常用的指针式电表

1）灵敏电流计（检流计）。灵敏电流计的特征是指针零点在刻度中央，便于检测不同方向的直流电流。灵敏电流计常用在电桥和电位差计的电路中作平衡指示器，用来检测电路中有无电流，故又称为检流计。可测量的电流通常为几微安到几十个微安。常用的检流计有数字检流计、光斑反射式检流计和指针式检流计3种。实验室主要使用指针式检流计。指针式检流计在调零后没有电流通过时指针指零，有微弱电流时将根据电流流向做相应的偏转。大电流容易烧毁检流计，因此有些指针式检流计装有常开按键开关，自由状态时检流计断开，指针指向零点；按下开关才接入电流用于检测有无电流，既安全又方便。

2）直流电流表。直流电流表是用来测量直流电路中的电流的。根据测量电流量程大小的不同，可分为安培表（A）、毫安表（mA）和微安表（μA）等。电流表是由表头的两端并联一个适当的分流电阻构成的，如图2-19所示。

量程：即指针偏转满度时的电流值，安培表和毫安表一般都有多个量程。

图2-19　电流表原理示意图

图2-20　电压表原理示意图

内阻：一般安培表的内阻在0.1Ω以下。毫安表、微安表的内阻可从100～200Ω到1000～2000Ω。

3）直流电压表。一个电流表串联一个阻值较大的电阻就构成电压表（图2-20）。直流电压表是用来测量直流电路中两点之间电压的。根据电压大小的不同，可分为毫伏表（mV）和伏特表（V）等。它的主要规格是：

·量程。即指针偏转满度时的电压值。例如伏特表量程为0-7.5V-15V-30V，表示该表有3个量程，第一个量程在加上7.5V电压时指针偏转满度，第二、三个量程则分别表示加上15V、30V电压时指针偏转满度。

·内阻。即电表两端的电阻，阻值一般都很大，但是同一电压表不同量程的内阻也不相同。例如0-7.5V-15V-30V电压表，它的3个量程内阻分别为1500Ω，3000Ω和6000Ω，但因为各量程的每伏欧姆数都是200Ω/V，所以电压表内阻一般用Ω/V统一表示，可用下式计算某量程的内阻：

内阻=量程×每伏欧姆数

（3）电表误差和不确定度

1）电表测量产生的误差主要有仪器误差和附加误差两类。

·仪器误差。仪器误差是由电表结构和制作上的不完善引起的。例如轴承摩擦，分度不准，刻度尺划得不精密，游丝的变质等原因的影响，使得电表的指示与其值有误差。

·附加误差。附加误差是由外界因素的变动对仪表读数产生影响而造成的。外界因素指的是温度、电场、磁场等。

当电表在正常情况（符合仪表说明书上所要求的工作条件）下运用时，不会有附加误差，因而测量误差可只考虑仪器误差。

2）电表误差的表示形式。电表的绝对误差即电表的指示值与被测量的真值的差异，电表的相对误差即绝对误差与被测量的真值之比。均随选用不同的量程挡而有所改变，都不能准确地反映电表的精确度，因此引入最大引用误差。

最大引用误差是一个简便而实用的相对误差。它是电表某量程上的最大绝对误差Δmax与该量程Nm的比值，一般用百分数来表示，即

3）电表的等级。电表的等级是由最大引用误差来决定的。国家标准规定一般的电表可分为7个等级，分别是0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5和5.0等。电表的准确度等级α与其最大引用误差的对应关系如表2-7所示。

表2-7　电表的等级与最大引用误差的关系

4）电表的读数方法。设有一直流毫安表，它的读数刻度共有150个小分格，它有1.5mA和7.5mA两个量程。先后用这两个量程去测量同一个稳定的电流值，测量时其指针偏转如图2-21所示，应如何从表面读数呢？

图2-21　电表读数示意图

a.当用1.5mA挡时，其指针偏在1.00～1.01mA的分格内，如图2-21（a）所示，且估计处在该格4/5的位置，因此表面读数为

b.当用7.5mA挡时，其指针偏在1.00～1.05mA的分格内，如图2-21（b）所示，且估计处在该格1/5的位置，因此表面读数为

5）电表的测量值的不确定度。电表按准确度大小划分等级，其仪器误差限可通过准确度等级给出：

大学物理实验中，把仪器误差限引入的不确定度分量简化为标准不确定度的B类分量规定；单次测量时电表的不确定度uC=uB=Δ仪。

仍以上例为例继续说明。若上例所用毫安计为0.5级，则测得的I值的不确定度为

a.对1.5mA挡，不确定度为

相对不确定度为

b.对7.5mA挡，不确定度为

相对不确定度为

6）电表读数的有效数字。由于用镜面读数较准确，可忽略读数误差，因此绝对误差只用仪器误差。

上例中1.5挡读数的最终结果为

7.5挡读数的最终结果为

（4）使用直流电流表和电压表的注意事项

1）电表的连接及正负极不可接反。直流电流表应串联在待测电路中，且必须使电流从电流表的“+”极流入，从“-”极流出。直流电压表应并联在待测电路中，并应使电压表的“+”极接电路中高电位端，“-”极接低电位端。

2）电表的零点调节。使用电表之前，应先断开电路检查电表的指针是否指零，如不指零，应小心调节电表面板上的零点调节螺丝，使指针指向零点位置。

3）电表的量程。实验时应根据被测电流或电压的大小，选择合适的量程。如果量程选得太大，则指针偏转太小，会使测量误差太大。量程选得太小，则过大的电流或电压会使电表损坏。在不知道测量值范围的情况下，应先试用最大量程，根据指针偏转的情况再改用合适的量程。要正确选择电表的准确度等级和量程。

选用电表不应片面追求电表的准确度等级愈高愈好，而应根据被测量的大小及对不确定度的要求，对电表准确度的等级及量程进行合理选择。为了充分利用电表的准确度，被测的量应大于量程的。

4）视差问题。读数时应在电表的正上方使视线垂直于电表的刻度盘读数，以免产生视差。一些较好的电表，在刻度线旁边装有平面反射镜。读数时，应使指针和它在平面镜中的像相重合，这样才能保证没有视差。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。

3.电阻

实验室常用的电阻除了有固定阻值的定值电阻以外，还有电阻值可变的电阻，主要有电阻箱和滑线变阻器。

（1）电阻箱

电阻箱的内部有一套用锰铜线绕成的标准电阻，且按如图2-22（a）所示连接，它的外形如图2-22（b）所示。箱面上有0，0.9Ω，9.9Ω，9999.9Ω共4个接线柱，0分别与其余3个接线柱构成电阻箱在使用过程中的3种不同调整范围。使用时可根据需要选择其中的一种。旋转电阻箱上的6个旋钮，可以得到不同的电阻值。在图2-22（b）中，每个旋钮的边缘都标有数字0，1，2，…，9，各旋钮下方的面板上刻有×0.1，×1，×10，…，×10000的字样，称为倍率。当每个旋钮上的数字旋到对准其所示倍率时，用倍率乘上旋钮上的数值并相加，即可得到实际使用的电阻值。如图2-22（b）所示的电阻值为

1）电阻箱的规格。

·总电阻。即最大电阻，如图2-22所示电阻箱的总电阻为99999.9Ω。

图2-22　电阻箱内的绕线连接及面板图

·额定功率。即为电阻箱每个电阻的功率额定值。实验室中一般电阻箱的额定功率为0.25W，可以由它计算额定电流。如×100挡，是指每个100Ω电阻的额定功率。因此指示500Ω与600Ω允许通过的最大电流都是

电阻箱各挡容许通过的电流值如表2-8所示。

表2-8　电阻箱各挡容许通过的电流值

2）电阻箱的等级。电阻箱根据其误差的大小分为不同的等级，它表示电阻值相对误差的百分数。电阻箱的误差主要包括电阻箱的基本误差和零电阻误差两个部分。零电阻值包括电阻箱本身的接线、焊接、接触等产生的电阻值。

对于等级指数的划分，新国标（GB1788—76）规定一个电阻箱各挡可以有不同的等级指数，均标在铭牌上（表2-9），可用下式估算示值误差限：(www.xing528.com)

式中，αi，Ri分别表示第i个进盘的等级指数和示值；m为所使用的步进盘的个数。例如，使用“0”和“9.9Ω”两个接线柱时，m=2。使用“0”和“99999.9Ω”两个接线柱时，m=6。

表2-9　电阻箱在室温20°C的等级指数

简化计算时，可认为m=0，基本误差为ΔR=R×α%。

电阻箱主要用于电路中需要准确电阻值的地方，它还有方便改变阻值的优点。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。

（2）滑线变阻器

滑线变阻器的结构如图2-23所示，电阻丝密绕在绝缘瓷管上，电阻丝上涂有绝缘物，各圈电阻丝之间相互绝缘。电阻丝的两端与固定接线柱A、B相连，A、B之间的电阻为总电阻。滑动接头C可以在电阻丝AB之间滑动，滑动接头与电阻丝接触处的绝缘物被磨掉，使滑动接头与电阻丝接通。C通过金属棒与接线柱C′相连，改变C的位置，就改变了AC或BC之间的电阻值。使用滑线变阻器，虽然不能准确地读出其电阻值的大小，但却能近似连续地改变电阻值。

图2-23　滑线变阻器

1）滑动变阻器的规格。

·全电阻。AB间的全部电阻值。

·额定电流。滑线变阻器允许通过的最大电流。

2）电路中滑线变阻器有两种用法。

·限流电路。如图2-24所示，A、B两接线柱只使用其中之一，另一个空着不用。当滑动C时，AC间的电阻改变，从而改变了回路总电阻，也就改变了回路的电流（在电源电压不变的情况下），因此滑线变阻器起到了限制（调节）线路电流的作用。

为了保证线路安全，在接通电源前，必须将C滑至B端，使RAC有最大值，回路电流最小。然后逐步减小RAC的值，使电流增至所需要的数值。

图2-24　变阻器限流电路图

图2-25　变阻器分压电路图

限流电路的特点：简单、省电，但可调节范围小。

·分压电路。如图2-25所示，滑线变阻器两端A、B分别与开关S两接线柱相连，滑动头C和一固定端A与用电部分连接。接通电源后，AB两端的电压VAB等于电源电压E。输出电压VAC是VAB的一部分，随着滑动端C位置的改变，VAC也在改变。当C滑至A时，输出电压VAC=0；当C端滑至B时，VAC=VAB，输出电压最大，所以分压电路中的输出电压可以在从零到电源电压之间的任意数值间调节。为了保证安全，接通电源前，一般应使输出电压VAC为零，然后逐步增大VAC，直至满足线路的需要。滑线变阻器用作限流时，通电前必须把阻值调到最大；作分压器时，通电之前必须把输出分压调到最小位置。

分压电路的特点是：调节范围大，电压变化的线性好，但较费电。

3）粗调与细调。实验中会发现只用一个滑线电阻有时很难调节到位。为此，可增加一个阻值较小的滑线电阻作为细调，如图2-26所示。

图2-26　细调电路图

4.数字仪器

数字仪表是一种新型的电测仪表，在测量原理、仪器结构和操作方法上都与指针式电表不同，数字仪表具有灵敏度高、测量准确度高、输入阻抗高、分辨率高、抗干扰能力强的特点。常用的数字电压表和电流表，其主要规格是量程、内阻和精确度。数字电压表内阻很高，一般在兆欧级以上，要注意的是其内阻不能用统一的每伏欧姆数表示，说明书上会标明各量程对应的内阻。

数字仪表按显示位数可分为三位半、四位半、五位半、六位、七位等。其中，位数指数字仪表能完整显示的最大位数，最高位只能显示0和1的称为半位。例如，显示999999的称为六位，最大能显示19999的称为四位半。

数字仪表的仪器误差限有以下两种表示形式（以数字万用表电压测量为例）：

式中，a是误差的相对项系数，即数字仪表的准确度等级；b是误差的绝对项系数（a、b、n有仪器说明书给出）；Ux是测量指示值；Um是满刻度值；n代表仪器固定项误差，是最小量化单位的整数倍，只取数字1，2，…。例如，某数字电压表Δ仪=0.02%Ux+2字，则其固定项误差是最小化单位的2倍。一个2V量程的数字电压表，若示值为1.4786V，最小量化单位是0.0001V，则ΔU=（0.02%×1.4786+2×0.0001）V≈5×10-4V。

（1）数字万用表的使用方法

万用表可用来测试交直流电压、电流以及基本原件电阻的阻值，二极管、三极管的好坏，以及电容等的参数等。

下面以实验室使用的VC9801A+（最大显示1999）为例，介绍数字万用表的使用方法。

1）面牌。

·POWER电源开关：开启及关闭电源。

·B/L背光按钮：按下一次背光灯亮，10s后自动熄灭。

·HOLD保持开关：定按键被按下，解除锁定需再按一次HOLD按键，后进行相关测试。

·EBCENPN：三极管测试面孔。

·旋钮开关：用于改变测量功能和量程。

·V/Ω插座：电压、电阻电容、二极管插座。

·COM插座：公共地，测试附件负极插座（黑表笔）。

·mA插座：小于2A电流测试插座。

·2/20A插座：（2～20A）电流测试插座。

使用万用表前请注意测试表笔插孔旁的警告符号，测试电压和电流不要超过其指示数字（量程），无论测电流、电压、电阻，为了仪表的安全，都要对待测的量进行估计，然后选择合适的量程。若无法对待测量的大小作出估计，则应选择最大量程试测，直到相关数据时根据数值选择合适的量程。

如果显示屏只显示“1”，说明被测电压已超过量程，功能/量程开关需调高一挡。

2）电压测量。

a.将黑表笔插入COM插孔，红表笔插入V/Ω插孔。

b.测直流电压时，将功能/量程开关置于直流电压量程范围内，将表笔并接在被测负载或信号源上。显示屏在显示电压读数时，红表笔所接端的极性也将同时显示出来。

c.测交流电压时，将功能/量程开关置于交流电压测量V量程范围，将表笔并接到被测原件上。

注意：

a.不要输入高于700V的电压，虽然有可能得到读数，但有损坏仪表内部线路的危险。

b.要特别注意在测量高压时要防止触电。

3）电流测量。

a.将黑表笔插入COM插孔，当被测电流在2A以下时红表笔插入mA插孔；如被测电流在2～20A之间，则将红表笔插入2/20A插孔（注意测试笔需串入被测电路中）。

b.测直流电时，将功能/量程开关置于A直流量程范围，在显示电流读数时，红表笔所接端的极性也将同时显示出来。

c.测交流电时，将功能/量程开关置于A交流量程范围。

注意：

2A插孔输入过载时会将内装保险丝熔断，测量时间应小于10s，以避免线路发热影响测量的准确度。

4）电阻测量。

a.将黑表笔插入COM插孔，红表笔插入V/Ω插孔。

b.将功能/量程开关置于Ω量程范围，将测试笔并联到待测电阻上。

注意：

a.若被测电阻＞1MΩ以上，需数秒后方能稳定读数。

b.检测在线电阻，须确认被测电路已断开电源同时电容放电完毕，方能进行测量。

c.两只手不能同时接触两根表笔的金属杆或被测电阻的两根引脚，以避免干扰。

d.在使用200Ω量程时，应先将表笔短路，测得引线电阻，然后修正。

e.在使用200MΩ量程时，应先将表笔短路，仪器将显示1.0MΩ，实测时要将此显示的数值减去。

5）二极管及通断测试。

a.将黑表笔插入COM插孔，红表笔插入V/Ω插孔。

b.将功能/量程开关置于量程范围，将测试笔连接到待测试二极管，红表笔接二极管正极，读数为二极管压降的近似值。

c.若被检查两点之间的电阻值小于约（70±20）Ω时蜂鸣器便会报警。

注意：

a.当输入端开路时，显示屏显示为过量程状态即显示“1”。

b.被测电路必须在切断电源状态下检查通断，因为任何负载信号将会使蜂鸣器发声，导致错误判断。

6）火线识别。

a.将黑表笔拔出COM插孔，红表笔插入V/Ω插孔。

b.将功能/量程开关置于挡位上，将红表笔接在被测线路上。

c.如果显示屏只显示“1”，且有声光报警，则红笔所接的被测线为火线；如果没变化，则为零线。

7）使用万用电表时的注意事项。

a.无论测哪些参数，尤其是交流电压电流，都必须规范操作，保证人身仪器安全。

b.测电流和电压时，万用电表的正端表笔应接电路中的电位较高端，负端表笔接电位低端。

c.使用电压挡测电压时应与被测元件并联，使用电流挡测电流时应与被测元件串联。

d.不可用欧姆表测带电的电阻，不得测额定电流极小的电阻。

e.测量时，不得双手同时接触两个表笔的金属部分。

5.开关

开关常用于断开、接通或者变换电路，按照开关的刀数（即接通或断开电路的金属杆数目）及每把刀的掷数（每把刀可以形成的通路数）可以分为单刀单掷开关、单刀双掷开关、双刀双掷开关、双刀单掷开关及换向开关等。开关的符号如图2-27所示。其功能由图中也不难看出，这里就不再作详细介绍。

图2-27　常用开关示意图