UKY-1 灵敏电流计特性研究实验仪
使用说明书
灵敏电流计是一种高灵敏度的磁电式仪表，可以测量10-7～10-12A的微小电流。在精密测量中，除用它来测量微小电流外，还可用作检流计，以检测电路中是否有微小电流通过。本实验了解灵敏电流计的构造原理，研究线圈在磁场中的运动特性、最佳工作状态、内阻、灵敏度等。
一、实验仪器及技术指标
实验仪器有以下几种：
1. AC15/2型直流复射式检流计：1.5×10-9A/格；
2. ZX21电阻箱：99999.9Ω/2个；
3. DM-V9数字电压表：测量量程19.99V，分辨率0.01V；
4. BX7-13滑线变阻器：100Ω/1.5A；
5. WYT-10稳压电源：DC1.24～10V，0.5A；
6. 标准电阻：1Ω、1/4W；
7. 双刀双掷开关、单刀开关：各1个。
二、仪器使用说明
各仪器的使用说明及注意事项见其使用说明书。
特别提示：1. 稳压电源的输出口不能短路，否则将烧毁电源。
2. 连接好电路后，需经老师检查后，再开电源开关。
灵敏电流计的研究
【实验目的】
1.了解灵敏电流计的结构特点与三种运动状态。
2.学习测定灵敏电流计的电流常数、内阻和临界电阻的方法。
3.学习正确使用灵敏电流计。
【实验原理】 灵敏电流计是一种高灵敏度的磁电式仪表，可以测量10
-7～10
-12A的微小电流。在精密测量中，除用它来测量微小电流外，还可用作检流计，以检测电路中是否有微小电流通过。灵敏电流计在具有高灵敏度的同时，也带来了如何控制电流计指示迅速稳定和迅速回零的问题，因此，了解灵敏电流计的构造原理及其线圈在磁场中的运动特性、最佳工作状态、内阻、灵敏度等，对于电流计的使用和调整具有实际意义。选用灵敏电流计时，必须考虑四个参数，内电阻
Rg、临界电阻
Rc、电流常数（分度值）
K和阻尼时间.。
1、灵敏电流计的基本结构
灵敏电流计是一种高灵敏度的测量仪表，它的基本结构如图1所示。在永久磁铁N、S极之间，安置一个园柱形软铁芯F，使磁极与软磁芯之间产生均匀的径向磁场，矩形线圈用一根金属悬丝悬挂起来，该金属悬丝不仅作为线圈电流的进出引线，还作为线圈旋转的转轴。当线圈通有电流
I时，线圈在磁场中受到磁力矩而发生偏转，同时悬丝被扭转而产生反方向的弹性扭力矩。在偏转角为
θ时，磁力矩和弹性扭力矩相等，线圈就达到平衡。在悬丝上粘附一面小圆镜，它把光源射来的光反射到一个弧形标尺上，并形成一光标，如图2所示。设当没有电流通过线圈时，反射光的光标位于弧形标尺的“0”点上。当有电流
I通过线圈时，光标指在标尺刻度
d上。可以证明，电流
I的大小与光标偏转的长度
d成正比，即
I= Kd （1）
式中比例常量K称为灵敏电流计的电流常量，它在数值上等于光标移动一个单位长度时所通过的电流。在国际单位中，其单位为安[培]每毫米，记为A·mm-1。
电流常量K的倒数称为灵敏电流计的灵敏度，记为S。显然灵敏度S愈大，灵敏电流计就愈灵敏。
2、线圈运动的阻尼特性
在使用灵敏电流计时，我们常会看到，当通过灵敏电流计的电流发生变化时，光标会摆动很久才逐渐地停在新的平衡位置上，这时读数很费时间。一般指针式电表由于内部装有磁阻尼线圈，通电后指针很快摆到平衡位置上，而不来回摆动。但灵敏电流计的线圈是用金属丝悬挂的，线圈在运动过程中的机械阻尼很小，其平衡问题需要使用者在外电路解决，因此需要研究灵敏电流计线圈运动的阻尼问题。
根据电磁感应定律，线圈在磁场中运动，由于切割磁力线而产生感应电动势，相应的感应电流与磁场相互作用而产生阻止线圈运动的电磁阻尼力矩M，它的大小与回路的总电阻（电流计内阻Rg与外电阻Rout之和）成反比，即
（2）
由上式可见，通过调节外电路电阻Rout的大小，就可控制阻尼力矩M的大小，从而控制线圈的运动状态。
⑴.当
Rout较大时，
M较小，线圈作来回减幅振动，需要经过较长时间才能停在新的平衡位置上，这种运动状态称为阻尼振荡（或欠阻尼）状态，如图3曲线Ⅰ和 。
⑵.当Rout较小时，M较大，线圈缓缓地趋向新的平衡位置。这种状态称为过阻尼状态，如图3曲线Ⅱ和 。
⑶.当Rout等于某一定值时，线圈很快达到平衡位置又不发生振荡。这是介于前二种状态的中间状态，称为临界阻尼状态，如图3曲线Ⅲ和 。这时对应的外电阻称为灵敏电流计的临界外电阻，记为Rc。
从上述讨论可见，为了便于测量，我们总是使灵敏电流计处于临界状态或接近临界状态下工作。本实验的内容之一，就是测量灵敏电流计的临界外电阻。
当灵敏电流计开路时，阻尼很小，光标在标尺零点附近长时间的左右摆动不停，这是实验中不希望发生的。为此在灵敏电流计两端并联一个开关K 3，如图4所示。按下开关，使灵敏电流计短路（外电阻为零），光标就很快停下来，这个开关通常称为阻尼开关。
3、测量电路
实验电路如图4所示。电源电压经过两次分压，在小电阻
R0上得到极小的电压，设通过灵敏电流计的电流为
I，电压表上的电压为
U，在
R 0 ≤
R 1,
R0 ≤
R 2的情况下，有
（3）
将式（1）代入上式，化简可得
（4）
上式表明，在U、R0和R1不变的情况下，电阻R 2与光标偏转的长度d成反比，与电流计的电流常量K成反比。
在保持电压U，电阻R0和R 1不变的情况下，改变电阻R 2的大小，就可以得到一组相应的光标偏转长度d的数值。以光标偏转长度的倒数1/d为横坐标，以电阻R 2为纵坐标，作R 2—1/d图线。该图线为一条直线。从图线中求出直线的斜率 ，则灵敏电流计的电流常量为
（5）
求出直线的截距b，则灵敏电流计的内阻Rg为
（6）
【实验仪器】
AC15型直流复射式检流计，电阻箱，数字电压表，滑线变阻器，稳压电源，双刀双掷开关，单刀开关。
本实验以AC15型直流复射式检流计作为所研究的灵敏电流计，其面板图如图5所示。该检流
计用的是光影法读数系统，为使仪器在较小的内壳里有较高的灵敏度，由光源发出的一束光经过悬丝上的小镜和多面平面镜及球面镜多次反射后，再投影到标尺上，由投影到标尺上的光影（称为光指计）的位置来读数。
检流计所用照明电源有两种，一种是220V，另一种是6.3V。检流计设有零点调节器和标盘活动调零器。零点调节器为零点粗调，标盘活动调零器为零点细调。检流计有一个“分流器”，分为“短路”、“直接”、“×1”、“×0.1”、“×0.01”档，测量时应从最低灵敏度开始，若偏转不大，则可逐步转到高灵敏度测量，“×0.01”档为最低灵敏度档。为防止检流计悬丝、导电游丝因受机械振动而损坏，设有“短路”档，平时应将分流器设置在“短路”状态。
【实验内容】
<一>、调节灵敏电流计
1. 将电源开关置于220V档，接通电源。
2. 当指示光标出现后，将“分流器”置于“×1”档。转动“零点调节”旋钮，将光标调至标尺零点附近（2～3mm以内），微调“标盘活动调零器”，使光标与标尺零点重合。
<二>、观察灵敏电流计的三种运动状态，测量临界外电阻
1. 按图4接好电路，将“分流器”置于“直接”档。开关K1(为稳压电源开关)、K2处于断开状态，经教师检查后方可接通电源。R2的阻值先取临界外电阻Rc（由仪器铭牌上读取）的4～5倍，R0＜10Ω(R0取标准电阻1Ω)。R1取几千欧姆数量级（一般取2000Ω）。
2. 合上开关K1，调节滑线变阻器R使电压表读数为零。然后再合上K2，调节滑线变阻器R缓缓增加电压，同时观察光标的运动，直至光标大约偏转到满刻度的一半时，断开K2，观察光标振动情况。当光标经过零点刻度时，立即按下短路开关S，使光标迅速回到零点位置。如果光标静止后，零点不对正，应再次调整零点。然后反向接通开关K2，重复上述观察。停在零刻线上。反向接通K2，重复上述实验。
3. 测定外临界电阻Rc
先使R2较大，并使光标偏转到标尺满刻度的一半左右。断开K2，观察光标振荡情况，然后使R2减小（同时减小电压，使光标不至超过满刻度），直到R2减小到光标的振动呈临界阻尼状态，即光标很快回到零刻线且不发生振动又恰好不超过零刻线，这时灵敏电流计处于临界阻尼状态。记下此时R2的值，则外临界电阻 。要注意在适当的范围内改变R2的大小，从而找到光标从同一偏转位置回零时间最短的Rc的阻值。
4. 再减小R 2的值，断开K2，观察光标的过阻尼状态。此时光标以非常缓慢的速度趋向于零刻线。
<三>、测量电流计的电流常量和内阻
1. 将“分流器”置于：“×1”档，调节滑线变阻器R，使光标偏转接近满刻度。
2. 将电阻R 2的值和光标偏转dL记入表1中，开关K2换向，使光标反向偏转，记取光标偏转dR。取其中均值 ，以消除悬丝左右扭转时不对称带来的影响。
3. 使R 2每次增加 （由实验室给出），共8次，重复步骤2。
4. 以光标偏转长度的倒数（1/ ）为横坐标，电阻R2为纵坐标，
作 图线。从图线中求出直线的斜率 和截距 ，据式（5）和式（6）分别求出电流计的电流常量和内阻。
【数据处理】
表1 测量灵敏电流计电流常数和内阻
R0= Ω； = Ω； = Ω； = V。
直线的斜率 = ；直线的截距 = Ω；
电流常量 = ；内阻 = Ω。
【注意事项】
1. 测量中若光标振荡不停，可用开关K 3，使电流计受到阻尼。
2. 在改变电路，使用结束和移动电流计时，均应将电流计的“分流器”置于“短路”档，使电流计处于短路状态。
3. 接通电源后，若在标尺上未出现光标时，可将“分流器”置于“直接”档，并将电流计轻微摆动，如有光标影象扫掠，则可调节“零点调节器”，使光标调至标尺上。
4. 稳压电源的输出口不能短路，否则将烧毁电源。
【思考题】
1. 与指针式检流计相比，直流复射式检流计具有较高灵敏度的原因有哪些？
2. 为什么在搬移检流计时，要使检流计处于短路状态？
