中学生电学实验所用的电压表、电流表和欧姆表都是磁电式仪表,磁电式电表在工农业生产和现代科技有广泛的应用,而磁电式电表内阻的测定,在近年高考中也是出现频率最高的知识点之一,笔者对中学生用的磁电式电表进行了比较详细的研究,现将有关研究作一介绍,供同行们参考。

1. 磁电式电表的原理

常用的电压表和电流表都是由小量程的电流表G(表头,也叫灵敏电流计)改装而成的,常用表头主要由永久磁铁和放入永久磁场中的可转动的线圈组成,当线圈中有电流通过时,线圈在磁场力的作用下带着指针一起偏转,电流越大,指针偏转的角度也越大,由指针在标有电流值的刻度上所指的位置就可以读出电流表的电流值。由欧姆定律知道,通过表头的电流跟加在表头两端的电压成正比,如果在刻度盘上标出电压值,由指针的位置就可以读出加在表头两端的电压值。

为了能使电流表G在较小电流下就能有比较明显的偏转,就要求线圈的匝数要多,而质量要小(容易转动),表头的线圈只能用线径较小的铜线绕制,所以电流表G的满偏电压和电流一般都比较小,电流表G一般不能测定实际的电压和电流。

电流表G串联一只大阻值的电阻改装成电压表。如果表头满偏电流是Ig=100μA,内阻Rg=1000Ω,要求改装成量程是3V的电压表。分析:由于表头满偏电压Ug=IgRg=0.1V,要求串联一个电阻R进行分压3-0.1=2.9V,由欧姆定律可以求出分压电阻: ,原理如图1所示。

电流表G并联一只小阻值的电阻改装成电流表。仍取上述表头,要求改装成量程是3A的电流表,分析:要求并联一个电阻R来进行分流3-0.0001=2.9999A,由欧姆定律可以求出分流电阻: ,原理如图2所示。

通过上述分析可知,电压表可等效成一个能显示自身电压的一个大阻值的定值电阻,电流表可等效成一个能显示自身电流的一个小阻值的定值电阻。

2. 关于中学生使用的磁电式电表的一些数据

为了能在实验中有效地选择仪器,现提供下列实用数据供参考。

学生用2.5级电压表

量程 电表内阻 满偏电流

3V 3KΩ 1 mA

15V 15 KΩ 1 mA

(表1)

学生用2.5级电流表

类别 电流计G 毫安表mA 电流表A

量程 200μA 1mA 10 mA 100mA 0.6A 3A

内阻 约1000Ω 约100Ω 约10Ω 约1Ω 约0.6Ω 0.12Ω

(表2)

多用电表中的欧姆表

类别 MF411(上海产) J0410(杭州产)

档位 满偏电流 中值电阻 满偏电流 中值电阻

R×1Ω 40 mA 40Ω 80 mA 20Ω

R×10Ω 4 mA 400Ω 8 mA 200Ω

R×100Ω 0.4 mA 4KΩ 0.8 mA 2KΩ

R×1KΩ 0.04 mA 40KΩ 0.08 mA 20 KΩ

R×10KΩ   1 mA 200 KΩ

(表3)

说明:R×10KΩ档,内回路的电源为高压电池,与其它档(R×1Ω、R×10Ω)不是同一组电源(1.5V的干电池)。

3. 电压表内阻测定的设计