2.10 电磁学实验基本知识
电学最早起源于古希腊哲学家塞利斯（Thales公元前600年）所发现的一块琥珀经摩擦后会吸引草屑；磁学最早起源于磁石召铁的记录，到1820后两门学科逐渐地联系了起来，建立了电磁学体系。电磁学是现代科学技术的主要基础之一，在此基础上发展起来的电工技术和电子技术不仅广泛应用于农业、工业、通信、交通、国防以及科学技术的各个领域，并且已经深入到家用设备，对国计民生有十分重要的意义。电磁学实验包括，基本电磁量的测量方法及主要电磁测量仪器仪表的工作原理和使用方法两部分。但是不同性质的电磁量的测量有很大差异，所用仪器也千差万别。下面简单介绍电磁学实验中常用的一些仪器及电磁学实验中一般应遵循的操作规则。
电磁测量仪器有多种分类方法。
（1）按仪器的测量方法分
①直读式仪器：指预先用标准量器作比较而分度的能够指示被测量值的大小和单位的仪器，如各类指针式仪表。
②比较式仪器：是一种被测量与标准器相比较而确定被测量的大小和单位的仪器，如各类电桥和电位差计。
（2）按仪器的工作原理分
①模拟式电子仪器：指具有连续特性并与同类模拟量相比较的仪器。
②数字式电子仪器：指通过模拟数字转换，把具有连续性的被测的量变成离散的数字量，再显示其结果的仪器。
（3）按仪器的功能分
这是人们习惯使用的分类方法。例如显示波形的有各类示波器、逻辑分析仪等；指示电平的有指示电压电平的各类电表（包括模拟式和数字式）、指示功率电平的功率计和数字电平表等；分析信号的有电子计数式频率计、失真度仪、频谱分析仪等；网络分析的有扫频仪、网络分析仪等；参数检测的有各类电桥、电表、晶体管图示仪、集成电路测试仪等；提供信号的有低频信号发生器、高频信号发生器、函数信号发生器、脉冲信号发生器等。
2.10.1 电源
电源一般可分为直流电源和交流电源。
（1）交流电源
一般在电路中以符号AC表示。交流电源的电压或电流是随时间作周期性变化的，要全面了解一个交流电源必须知道它的频率、波形、初相位和电压的峰值。我们常见的交流电源是正弦交流电源，它有两个重要的指标：频率（例如市电的频率是50Hz）和有效值（市电的有效值是220V）。
市电，即工业用电，也是实验室主要电源，是50Hz的正弦交流电，输送到实验室来的一般是五线三相制380V的动力电。这五根输电线中，一根与大地连接，称为“地线”。地线的作用是把用电器的金属外壳与大地相连，以确保人身安全。另外四根中有三根是“相线”，俗称“火线”。最后一根是零线。每一根相线与零线之间电压称为相电压，大小为220V（有效值）。我们常用的220V交流电就是一根相线（火线）与零线之间的电压。变压器可以使市电变为指定的电压值（升压或降压均可）。实验室常用自耦变压器。变压器的优点在于它本身几乎不消耗电能。用原、副线圈独立的变压器还可以把市电和用电部分隔开，比较安全。它的缺点是往往会使电压波形发生畸变。
（2）直流电源
在电路中以DC表示。目前实验室普遍采用晶体管稳压电源和干电池。晶体管稳压电源的稳定性高、内阻小、输出连续可调、使用方便。可调试的稳压电源可以在0～30V内连续可调，使用时注意它的输出电压和允许的最大电流值，不要超载。干电池体积小、重量轻，方便携带，但它的容量小，适用于耗电少的仪器。干电池每节的电动势为1.5V，可由多节串联组成积层电池。干电池经使用后，电动势不断下降，内阻不断上升，最后由于内阻很大，不再提供电流。
2.10.2 电表
测量电磁量的仪表种类有很多，按其结构可分为指针式电表和数字式电表，其中大部分表面以指针指示的电表都是磁电式电表。它的内部构造可简单地表示如图2.10.1所示。
图2.10.1 直流电表结构图
1—刻度盘；2—指针；3—永久磁铁；4—极掌；5—软铁芯；6—线圈；7—螺旋弹簧；8—零点调节螺丝
将一个可以自由转动的线圈放在永久磁铁的磁场中，当被测电流流过线圈时，由于受磁力作用而转动，同时弹簧游丝给线圈一个反向恢复力矩使线圈平衡在某个角度，线圈偏转角的大小与所通过的电流成正比，电流方向不同，偏转方向也不同。
常用的指针式直流电表有以下几种。
（1）检流计
它的特征是指针零点处在刻度的中央，便于检测出不同方向的直流电。检流计所允许通过的电流非常小，一般约为10-6A。其内阻约为数十欧姆。
指针式检流计主要用于检测小电流或小电位差。使用时，常串联一个阻值较大的可变电阻，控制通过它的电流，以免过大的电流损坏电表，这电阻称为保护电阻。如图2.10.2中的Rh。
图2.10.2 针式检流计支路接线示意图
（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。根据电流大小的不同，可分为安培表（A）、毫安表（mA）和微安表（μA）。电流表是在表头的两端并联一个适当的分流电阻而构成的，如图2.10.3所示。它的主要规格如下。
图2.10.3 直流电流表
①量程：即指针偏转满度时的电流值，安培表和毫安表一般都是多量程的。
②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
用磁电式电表测量交流电流或电压必须经过整流，把交流电变成直流电，一般常用晶体二极管作为整流元件。
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、伏特表和千伏表等。电压表是将表头串联一个适当大的降压电阻而构成的，如图2.10.4所示，它的主要规格如下。
图2.10.4 直流电压表
①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，表示该表有三个量程，第一个量程在加上7.5V电压时偏转满度，第二、三个量程在加上15V、30V电压时偏转满度。
②内阻：即电表两端的电阻，同一伏特表不同量程内阻不同。例如0—7.5V—15V—30V伏特表，它的三个量程内阻分别为1500Ω，3000Ω，6000Ω，但因为各量程的每伏欧姆数都是200Ω/V，所以伏特表内阻一般用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
（4）电表的使用方法与注意事项
①量程的选择：根据待测电流或电压的大小选择合适的量程。量程太小，或者过大的电压、电流，都会使指针式电表损坏；量程太大，对于指针式电表指针偏转太小，致使读数不确定度过大。使用时应事先估计待测量的大小，选择稍大的量程，试测一下，如不合适，再选用合适的量程。如果不知道待测量的大小，则必须从最大量程开始试测。
②注意电表的极性：对于直流电表，指针偏转方向与所通过的电流方向有关。接线时必须注意电表上接线柱的“+”、“-”标记。“+”表示电流流入端，“-”表示电流流出端，切不可把极性接错，以免撞坏指针。对于各种交流电表和仪器（如示波器、各种信号源等）的两个接线端中有一端标有接地符号“⊥”，称为“接地端”。实际上它表示这一端与仪器、仪表的金属外壳相连。
③电表的连法：电流表是用来测量电流的，使用时必须串联在电路中。对于直流电流表，在将其接入电路中时，须分清电路断开处电流流入和流出的方向，分别接在直流电流表的标有“+”、“-”的接线柱上。电压表是用来测量电压的，使用时应当与被测量电压两端并联。
④读数时的视差问题：对于指针式电表，读数时应正确判断指针位置。为了减少视差，必须使视线垂直于刻度表面计数。精密的电表刻度尺下方附有镜面，当指针在镜中的像与指针重合时，所对准的刻度，才是电表的准确读数。
⑤指针式电表在其外壳上有零点调节螺丝，通电前应检查并调节指针指零。
⑥读数要注意有效数字：指针式直流电表按准确度分为七级：0.1；0.2；0.5；1.0；1.5；2.5；5.0。电表的准确度等级是用电表的基本误差的百分数值表示的。例如一个0.5级的电表，其基本误差为±0.5％。
（5）欧姆表
欧姆表的原理图如图2.10.5所示。其中虚线框内部分为欧姆表，a和b为接线柱（表笔插孔）。测量时将待测电阻RX接在a和b上，在欧姆表中，E为电源（干电池），G为表头（内阻为Rg，电流为Ig），R′为限流电阻，由欧姆定律可知回路中的电流IX由下式决定：
图2.10.5 欧姆表原理
可以看出，对一给定欧姆表，IX仅由RX决定，即它们之间是一一对应关系。这样在表头刻度上标出相应的RX值即成一欧姆表。由上式可以看出，当RX=0时，回路中的电流最大，在欧姆表中设法改变表头的电流IX使其等于最大电流，即：
习惯上称Rg+R’为欧姆表的中值电阻，即：
R中=Rg+R'
由前式可以看出：欧姆表的刻度是非线性（不均匀）的，正中那个刻度值既为R中，这是因为当RX=R中时，指针偏转为满度的一半。通常在测量电阻时只用欧姆表中间一段来测量，指针太靠左或太靠右测量的精确度都很差。
应该指出，欧姆表的刻度是由设计的电源电动势E计算出的，但实际上电源电动势不可能总是正好等于E，所以在欧姆表中还装有“欧姆零点”调节旋钮，以保证刻度正确。调节方法是：将表笔短路，调节“欧姆零点”旋钮使偏转满度，即指针指0，每次改变量程后都应重新调节欧姆表零点。
在使用欧姆表时，应注意以下几点。
①每次换挡后都要调节欧姆零点。
②不得测带电的电阻；不得测额定电流极小的电阻（例如灵敏电流计的内阻）。
③测试时，不得双手同时接触表笔的笔尖，测高阻时尤须注意，因为人体也相当于一个电阻。
（6）数字电压表（数字万用表）
数字电压表是一种功能齐全、精度高、性能稳定、灵敏度高、结构紧凑的仪表。它显示直观，能做到小型化、智能化，并且可以与计算机接口组成自动化测试系统。
由于数字电压表配以其他各种适当的转换电路（如交直流转换器、电流电压转换器、欧姆电压转换器、相位电压转换器等）可以进行除测量电压以外的其他电学量的测量，如电流、电阻、电容、频率、温度、二极管正向压降、晶体三极管hef参数及电路通断测试等，所以这种功能齐全的数字表，又称为数字万用表。它可供实验室测量、工程设计、野外作业和工业生产维修等使用。
数字电压表按显示位数分，可以分为三位半、四位半、五位、六位、八位等；按测量速度分，可以分为高速和低速；按重量、体积分，可分为袖珍式、便携式和台式；按A/D变换方式可分为直接转换型和间接转换型。
数字电压表的工作特性如下。
①测量范围：用量程和显示倍数反映测量范围。
量程：数字电压表有一个基本量程，是1:1衰减量程。以它为基础可以扩展量程，并使量程步进分挡可调。下限可至0.1μV，上限可达1kV。
分辨率：数字电压表的最小量程所能够显示的最小可测量值。如一个最小量程为200mV的挡，满量程显示值为200.00，其分辨率是10μV。
②位数：指数字电压表能完整地显示数字的最大位数。能显示出0～9这十个数字称为一个整位，不足的称为半位。例如能显示“999999”时，称为六位；最大能显示“7999”或“1999”的称为三位半。半位都是出现在最高位。
③输入阻抗：以电阻Ri和电容Ci并联形式表示。测量直流时，Ci不予考虑。Ri的值通常大于10MΩ，因此数字电压表的内阻远远大于指针式电压表的内阻。测量交流电压时Ci会造成一些影响。但是由于现在数字电压表的工作频率一般不超过105Hz，所以Ci一般小于100pF。
④抗干扰能力：通常使用的数字电压表的抗干扰能力大于60dB以上。
数字万用表使用注意事项如下。
①不同类型的数字万用表有着不同的基本精度，而不同精度的数字表价格相差很大。因此选择数字表时应根据测量精度的要求，选择合适的数字表，不可一味追求高精度的数字表的使用。
②数字表的读数显示率约为2～4次/s，读出准确的测量结果需有一定的延时时间，通常为1～2s。因此用数字表读数时，一定要待读数稳定后读取测量结果，不可以当显示屏上一出现数据立即读数。
③对于整数位数字表，例如三位表，其最大显值为999；对于四位半的数字表其最大显示值为19999，即半位总是出现在最高位。当超量程时最高位显示“1”，其他消隐。
④使用数字表之前，必须先看说明书，看一下工作环境是否满足其要求，诸如保证准确度的温湿度、工作温度、储存温度等使用条件。
⑤使用前首先检查电源，当把电源按键按下时，如果电池电压不足，则显示“
”。必须注意测试插口旁的符号
，这是警告你要留意测试电压或电流不要超过指示数字。此外使用前要先将量程放置在你想测量的挡位上。COM插口为输入接地端。
⑥当使用电流输入插口时，要注意区分小量程的电流插口和“10A”插入插口。“A”输入插口，内装有外型为Φ5×20mm保险丝，过量程将会烧坏保险丝。应按原装规格更换后再继续使用。“10A”输入插口内无保险丝保护。
⑦一般数字万用表具有自动关机功能，开机后约15min会自动切断电源，以防仪表使用完毕忘记关电源。想再使用，重复电源开关操作即可继续开机。使用完毕按电源键到OFF则为手动关机。
⑧数字万用表是一部精密电子仪器，不要随意更动内部电路以免损坏。并要注意以下几点。
a.不要接到高于1000V直流或有效值750V交流以上的电压上去。
b.切勿误接量程，以免内外电路受损。
c.仪表后盖未完全盖好时切勿使用。
d.不要在潮湿、水蒸气多及多尘的地方使用数字表。
e.使用前应检查表笔，绝缘层应完好，无破损和断线。
f.红、黑表笔应插在符合测量要求的插孔内，保证接触良好。
g.量程开头应置于正确的测量位置。
h.严禁量程开头在电压或电流测量过程中改变挡位，以防损坏仪表。
i.更换电池及保险丝时，须拔去表笔并关断电源后再进行。
2.10.3 电阻箱
电阻箱外形如图2.10.6（a）所示，它的内部有一套由锰铜线绕成的标准电阻，是按图2.10.6（b）连接的。旋转电阻箱上的旋钮，可以得到不同的电阻值。在图2.10.6（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，即为实际使用的电阻值。如图2.10.6（b）所示的电阻值为：
R=2 × 10000 Ω+3 × 1000 Ω+6 × 100 Ω+0 × 10 Ω+2 × 1 Ω+6 × 0.1 Ω=23602.6 Ω
电阻箱的规格如下。
①总电阻：即最大电阻，如图2.10.6所示的电阻箱总电阻为99999.9Ω。
图2.10.6 四接线柱电阻箱示意图
②额定功率：指电阻箱每个电阻的功率额定值，一般电阻箱的额定功率为0.25W，可以由它计算额定电流，例如用100Ω挡的电阻时，允许的电流
，各挡容许通过的电流值，列表如下：
③电阻箱的等级：电阻箱根据其误差的大小分为若干个准确等级，一般分为0.02，0.05，0.1，0.2等，它表示电阻值相对误差的百分数。例如0.1级，当电阻为87654.3Ω时，其误差为87654.3Ω×0.1％≈87.7Ω。
电阻箱面板上方有0，0.9Ω，9.9Ω，9999.9Ω四个接线柱，0分别与其余三个接线柱构成所使用的电阻箱的三种不同调整范围。使用时，可根据需要选择其中一种，如使用电阻小于10Ω时，可选0～9.9Ω两接线柱，这种接法可避免电阻箱其余部分的接触电阻对使用的影响，不同级别的电阻箱，规定允许的接触电阻标准亦不同。例如0.1级规定每个旋钮的接触电阻不得大于0.002Ω，在电阻较大时，它带来的误差微不足道，但在电阻值较小时，这部分误差却很可观。例如一个六钮电阻箱，当阻值为0.5Ω时接触电阻所带来的相对误差为
。为了减少接触电阻，一些电阻箱增加了小电阻的接头。如图2.10.6所示的电阻箱，当电阻小于10Ω时，用0和9.9Ω接头可使电流只经过×1Ω、×0.1Ω这两个旋钮，即把接触电阻限制在2×0.002Ω=0.004Ω以下；当电阻小于1Ω时，用0和0.9接头可使电流只经过×0.1Ω这个旋钮，接触电阻就小于0.002Ω。标称误差和接触电阻误差之和就是电阻箱的误差。
2.10.4 变阻器
电阻箱是一种准确度比较高的变阻器，一般情况下使用的变阻器准确度较低，它们是滑线变阻器和电位器。
（1）滑线变阻器
一般用于大电流的电路中，其额定功率在几瓦到几百瓦。它可以用来控制电路中的电压和电流。其的构造如图2.10.7（a）所示，电阻丝密绕在绝缘瓷管上，两端分别与固定在瓷管上的接线柱A，B相接，电阻上涂有绝缘物，使匝与匝之间相互绝缘，瓷管上方装有一根和瓷管平行的金属棒，一端连接接线柱C，棒上有套有滑动接触器D，它紧压在电阻丝匝圈上，接触器与线圈接触处的绝缘物已被刮掉，所以接触器D沿金属棒滑动就可以改变AC或BC之间的电阻。了解变阻器的结构很重要，为此应把图2.10.7（a）和图2.10.7（b）中的A、B、C三点相互对照。
图2.10.7 滑线变阻器
滑线变阻器的主要参数有：①全电阻，即AB间的总电阻值；②额定电流，即变阻器所允许通过的最大电流。
滑线变阻器有两种用法，称为限流电路和分压电路。
①限流电路 如图2.10.8所示，A端和C端连在电路中，B端空着不用，当接触器滑动时，整个回路电阻改变了，因此，电流也改变了，所以叫做限流电路。当接触器D滑动到B端时，滑线变阻器全电阻串联入回路，电阻值RAC=RAB，阻值最大，这时回路电流最小；当接触器D滑动到A端时，回路电阻值RAC=0，回路电流最大。为了保证安全，在接通电源前，一般应使接触器D滑动到B端，使RAC最大电流最小，以后逐步减小电阻，使电流增至所需值。
图2.10.8 限流电路接线图
②分压电路 如图2.10.9所示，滑线变阻器的两个固定端A和B分别与电源的两电极相连，滑动端C和一个固定端A（或B）连接到用电部分，接通电源后，AB两端的电压UAB等于电源电压，UAB又是AC间电压和CB间电压之和，所以输出电压UAC可以看作是UAB的一部分。随着接触器的位置的改变UAC也就改变。当接触器D滑到B端，UAC=UAB输出电压最大；当接触器D滑到A端，UAC=0，所以输出电压UAC可以在零到电源电压之间任意调节。
图2.10.9 分压电路接线图
为保证安全，在接通电源前，一般应使UAC=0，以后再滑动D，使输出电压UAC增至所需值。
（2）电位器
小型变阻器通常称为电位器，它的额定功率只有零点几瓦到数瓦，视体积大小而定。电阻值较小的电位器多数用电阻丝绕成，称为线绕电位器，而阻值较大的电位器则用碳质薄膜作为电阻，故称碳膜电位器。由于电位器的生产已经系列化，规格相当齐全，容易选购到阻值合适的。图2.10.10表示圆形电位器的外观及相应的A、B、C三个接线端。
图2.10.10 圆形电位器外观图
2.10.5 电学实验操作规程
①准备：到实验室前通过预习先准备好数据表。实验时，先要把本组实验仪器的规格搞清楚，然后根据电路图要求摆好元器件位置。要在理解电路的基础上连线，还应注意利用不同颜色的导线，这样可以表现出电路电位高低，也便于检查。一般用红色或浅色线接正极，用黑色或深色线接负极。最后，应特别指出，在连线过程中，电源要在所有开关处于断开情况下最后连入电路中。
②检查：接好电路后，先复查电路连接正确与否，再检查其他的要求是否都做妥。例如开关是否全部打开，电表和电源正负极是否连接正确，量程是否正确，电阻箱数值是否正确设置，变阻器的接触器位置是否正确等等。直到一切都做好，方可接通电源。
③通电：在通电合闸时，要事先想好通电瞬间各仪表的正常反应是怎样的，并随时准备在出现不正常情况时断开开关，即采用跃接法，以防因电路接错，造成仪表损坏。
④安全：不管电路中有无高压，要养成避免用手或身体直接接触电路中裸露导体的习惯。
⑤归整：实验完毕，应将电路中仪器旋钮拨到安全位置，打开开关，经教师检查实验数据后再拆线。拆线时应先断开电源。最后将所有仪器放回原处，再离开实验室。