电流表的保护改进初探

天津理工大学学生课外学术科技基金资助项目1电流表的保护改进初探韦宏军（天津理工大学理学院）指导老师：张保立天津理工大学学生课外学术科技基金资助项目2摘要目前，《伏安特性》这一实验是全国各高等院校普通物理实验中非常重要的一项实验，而实验过程中电流表是一个必不可少的测量工具，但是这一实验在实际操作中存在诸多不足之处。比如说实验中电路调整不当或者其他因素使得高精度电流表损坏，影响实验进行的同时，造成经济资源的损失。我们的课题旨在通过研究和实验，用整流二极管对电流表进行一定的电路改装改装，从而使得高精度电流表在实验过程中不会造成指针损坏和电表的线圈烧毁，这样大大延长了仪表的使用年限，同时节省各实验室的经费支出。关键词Ⅰ.科技立项…Ⅱ.物理学-实验-高等学校Ⅲ.伏安法…天津理工大学学生课外学术科技基金资助项目3目录摘要……………………………………………2关键词…………………………………………2目录……………………………………………31.电流表实施安全改进的必要性……………………41.1.当前各高校的电流表使用现况………………41.2.电流表使用出现得常见问题…………………41.3.研究课题的提出……………………………42.改装方案中所用部件的原理及特性概述……………42.1.电流表的内部结构原理……………………42.2.整流二极管的导电特性……………………53.电流表保护改进设计及原理阐述……………………63.1.改进方案的电路图及其原理阐………………63.2.改进方案的误差分析………………………74.本研究成果的意义………………………………84.1.实用价值…………………………………84.2.经济价值…………………………………8鸣谢…………………………………………8参考资料……………………………………8天津理工大学学生课外学术科技基金资助项目41.电流表实施安全改进的必要性1．1.当前各高校的电流表使用现况众所周知，电流表作为一个测量仪表，在各种电学验证实验和创新设计实验中都是一个不可缺少的部件，现存市面上大体分为两大类即普通模拟安培表和数字电流表。但是现阶段各高校以及中学生的各类电学实验所用的电流表均为模拟安培表，另一方面模拟安培表是在电磁理论的基础上设计制造出来的，而其原理又是学生物理课程中所要求必须熟知和掌握的，还有就是模拟安培表牵扯到一系列改装实验，尤其是学生的创新实验。综上，现阶段包括以后很长一段时间内，各高校包括中小学的实验室中在电流表这个行列中模拟安培表就助于主流地位。1．2.电流表在使用过程中常见的问题对于电流表（这里以及下文中除申明外出现得电流表均指模拟安培表）的使用相信大家都并不陌生，即使用过程中将电流表与被测元件串联，选择合适的量程，正确读数记录即可。看似这并不复杂，但是，在电流表的实际使用过程中问题却并不少见，常见的问题轻者有随着使用时间的增长，仪表的精度逐渐降低，重者有电流表指针打弯或打断，更有甚者电流表表头线圈烧毁，至于出现上述状况的原因大概来自两方面，其一为认为因素，包括使用仪表过程中错误判断量程或者误将仪表的正负极接反，其二就是自然因素，比如电路中由于设备的故障导致实验电路中电流过大等等。至于从作用效果分析呢，导致电流表损坏的因素有两个：①电路中电流过大。②电流表的正负极错误的反接。1．3.研究课题的提出基于1.1和1.2提出的问题呢我们提出了我们的研究课题《电流表的保护改进初探》，我们的课题旨在对传统的模拟安培表做一些简单的改进设计，使得当在实验中出现人为地错误操作或者非正常的自然因素时能对电流表起到一定的保护作用，或者说不至于仪表发生偏差或者损坏。不难发现，我们的所做的改进必须要符合以下要求：⑴．所有的改进方案必须要保证在不改变原有仪表的精度或者说差生的偏差必须在实验要求的误差允许范围之内，因为我们所处理的对象是测量仪器，如果我们改装后的电流表所测量的数据达不到测量的要求，那么我们的改装设计也就没有任何意义可谈了。⑵．我们所改装后的的电流表得在当出现非正常情况时确确实实能起到自我保护的功效，否则所谓的改进就形同虚设了。⑶．所有的改进设计方案中用到得材料部件要易找，廉价;改进方案在付诸实践的过程中操作要简单，做工要求不高，这样才能为大家都所接受，所普及，真正的服务于大家。2.改装方案中所用部件的原理及特性概述2.1．电流表的内部结构原理电流表的内部结构也并不复杂，大体上说是由一个灵敏电流计表头和一个电阻并联而构成的，电路图如下：天津理工大学学生课外学术科技基金资助项目5我在这里首先说的是电阻R及其R与仪表的量程及其精度的关系，为了叙述方便我们设I为电流表的满偏电流，即量程，gI和gR分别为电流表表头的满偏电流和电阻，则他们有如下关系：从上式不难发现，电流表的量程I和1/R成正相关，同时：R偏大时，测量值偏大;R偏小时，测量值偏小；量程越小，仪表的精度越高。而作为电流表内部主要组成部分的表头即灵敏电流计的结构如下图所示：我在这里之所以提出电表表头的结构呢并不是是要阐述其工作原理，因为其工作原理和我们今天的课题并没有太大的直接关联，而是我在1.2中提到的电流表在使用过程中的发生的损坏全部集中在电流表的表头上。上文提到的电流表烧毁呢就是指的上图中1损坏，二电流表的精度之所以会降低是因为扭力过大使得上图中的结构7游丝的形变超过了其弹性形变限度。2.2．整流二极管的导电特性天津理工大学学生课外学术科技基金资助项目6下图是镇流二极管的伏安特性曲线图：二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面我分别具体说明二极管的正向特性和反向特性。㈠．正向特性。在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.3V，硅管约为0.7V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。㈡．反向特性。在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。3.电流表保护改进设计及原理阐述3.1．改进方案的电路图及其原理阐下图前者为电流表原电路，后者为我们改进后的电流表内部电路图：改进后：天津理工大学学生课外学术科技基金资助项目7对比两个电路图不难发现，我们所做的改进非常简单，就是在原电流表的基础上将两个二极管分别正反向与电表的表头并联。下面我来阐述其工作原理：电流表的正负极接法正确，当通过电流表的电流较小时，也就是说在正常的量程以内时，此时对于二极管①而言，两端的电压小于死区电压（硅管是0.5V，锗管是0.1V）时，通过二极管①的电流id≈0，此时电流表正常工作；但是当电路中的电流过大即已经超过电表的量程时，二极管①两端的电压也达到其导通电压（硅管0.7V，锗管0.3V）时，我们观察2.2中的二极管伏安特性图可得出，二极管的电流随着两端电压的增大而增大的特别快，也就是说二极管①的电阻变得非常小，远远小于电流表表头的内阻，此而时表头中的电流就近乎为零，从而起到了保护电流表的作用。当误将电流表正负极反接时二极管②会和上述情况一样起到分流从而达到保护电表不受损目的的作用。3.2改进方案的误差分析⑴．理论分析我们在改装仪表的过程中已经对仪表的精度产生了一定的影响，不难发现我们在改装的过程中相当于无形中减小了电流表中于表头并联电阻R的值，我们在上文2.1中也已经分析过，R偏小时仪表测量值偏小，所以经我们改装后的电流表表在实验中得出的数值会较真实值相较偏小。⑵．实验验证实验目的：验证改装前后的电流表是否会产生明显的实验误差实验用品：学生电源，滑动变阻器，电阻箱改装后的电流表，标准电流表，开关，导线若干。实验电路：R为电阻箱，a为改装后的电表，A为标准电表天津理工大学学生课外学术科技基金资助项目8改ma标mA实验步骤：1.按电路图连好线路，检查线路，接通电源，打开开关。2.将R的值定到300欧姆，调节P，使得A的数值达到50微安，记下a的度数。依次定R为350，400…欧姆，调节P使得A均为50微安，并依次记下a的读数。实验数据：1a2a3a4a5a6a49.949.650.150.049.849.94.本研究成果的意义4.1实用价值我们已经在1.1中叙述过现阶段的各高校的实验室中所用电流表均为模拟安培表，并且意识到对电流表的安全改装时很有必要的，下面我们就来具体分析一样我们的课题成果是否达到了1.3中提到的几个要求：首先第一个要求为改装后的仪表的系统误差不能超出测量要求的误差，我们从3.2中的实验得出的数据来看我们的改装后的电流表所产生的误差完全无核测量要求：其次第二个要求为改装表在电路异常时确实能产生自我保护。而我们从3.1的结论来看完全也达到了这个要求，同时我们经过了多次试验，确实也达到了预期效果，这个我们将在实物展示中加以演示；最后一个要求就是改装过程要尽可能简单，方便，同样我们从3.1的改装过程来看，一般的实验条件均能满足改装要求，综上，我们的这个成果在付之实践的过程中完全具有相当大的实用价值。4.2经济价值天津理工大学学生课外学术科技基金资助项目9在将我们的这个成果付之实践的过程中用到了为两个二极管，工具为各个实验室均具备的电咯铁，如是而已，也就是说只要打开现有的电流表的后盖，稍微动动手将二极管焊接上去就完成了全部过程。而解决的是什么问题呢，是电流表被烧毁的危险，从这里我们不难看出，这个成果完全也符合经济学逻辑，真正的做到了低投入，高收益。所以说我们的这个成果除了有相当大的实用价值外还从经济学角度讲，具有很大的经济价值。鸣谢向理学院物理实验室对我们在研究过程中提供的帮助在此表示衷心的感谢。参考资料：《大学物理实验》钟鼎主编天津大学出版社《新编国内外二极管速查手册》电子工业出版社