電學測量工具“表頭”的幾個為什么

楊小康

摘要：中學階段所用的電流表、電壓表、歐姆表、萬用表都有一個共同的部分——表頭，在實際應用中常有些許問題困擾著學生。筆者將其整理并在本文中做一簡要說明。

關(guān)鍵詞：表頭；物理教學；教師；學生

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2016）05-0127

中學階段所用的電流表、電壓表、歐姆表、萬用表都有一個共同的部分——表頭，表頭實質(zhì)是一個直流微安表，有時也稱電流計，內(nèi)置在幾十歐到幾百歐間，允許通過的最大電流一般為幾百微安。中學階段所用這些表一般都是磁電式儀表，如圖1所示，在實驗時經(jīng)常會遇到下列問題：

第一，電流表中通入某一電流，指針偏轉(zhuǎn)到某一角度立即停止，為什么沒有因為鋁框及所擾線圈的慣性二左右擺動？

這是因為線圈是繞在鋁框架上，線圈偏轉(zhuǎn)時也帶動框架在磁場中轉(zhuǎn)動，由電磁感應現(xiàn)象可知，鋁框架切割磁感線二產(chǎn)生感應電流——渦流，這個電流受到磁場安培力的作用，其方向與框架轉(zhuǎn)向相反，能阻止動圈在平衡位置的左右擺動，這種作用稱為阻尼作用。如果無此阻尼作用，則動圈因通電二偏轉(zhuǎn)時，由于慣性二使指針在平衡位置左右搖擺一段時間才能停下了，如老式電流計就是這樣的。

第二，線圈所在的磁場是非勻強磁場，電流表的刻度為什么還是均勻的？

線圈置于圓弧形的極拿和由軟鐵做成的圓柱體之間的氣隙中，氣隙中雖不是勻強磁場，但形成均勻輻射狀磁場，如圖2所示，切割磁場的線圈的橫截面不論轉(zhuǎn)到哪個位置，所在處的磁場方向總平行線圈平面，磁感應強度大小總是相等的。當線圈中電流為I時便受到一個力矩M=BNIS的作用而偏轉(zhuǎn)（B為氣隙中的磁感應強度，N為線圈的匝數(shù)，S為線圈面積），線圈轉(zhuǎn)動，使線圈兩端的螺旋彈簧（即游絲）變形，產(chǎn)生一個與偏轉(zhuǎn)角α成正比的反作用力矩M′=k′α（k′為決定游絲彈性的扭轉(zhuǎn)常數(shù)），當平衡時，BNIS=k′α，于是α=BNIS/k′=kI（式中B、N、S在測量機構(gòu)確定后均為常數(shù)），指針的偏轉(zhuǎn)角α僅與電流I成正比，故直流電流表、電壓表刻度都是均勻的。

第三，表頭以及用表頭改裝后的電流表、電壓表為什么只能測直流而不能直接用于測量交流電？

這是因為氣隙的磁場方向是不變的，動圈所受轉(zhuǎn)矩的方向只決定于電流的方向，當通入交流電時，轉(zhuǎn)矩方向不斷改變，但因動圈慣性的影響，指針將趕不上轉(zhuǎn)矩的迅速變化而靜止不動，所以用于測量交流電時，必須附加鎮(zhèn)流裝置。

（作者單位：陜西省安康市漢濱區(qū)江北高中 725000）