交流电流表测量的是什么物理量?——对高考变压器题目争论的有关诠释

2016-01-07洪安生

物理通报 2015年8期

关键词：电流表电表指针

交流电流表测量的是什么物理量？
——对高考变压器题目争论的有关诠释

洪安生

(北京市海淀区教师进修学校北京100195)

收稿日期：(2015-06-07)

2014年全国高考的一道变压器题引起争论，涉及到电流的测量，本文从电流表的结构、工作原理、电流测量等方面做出阐述，以澄清争论中涉及的有关问题.

电工测量仪表可分为指针式和数字式两大类，中学物理教科书上主要讲述指针式的.数字式测量仪表原理比较复杂，虽然教师和学生在实验中都可能使用，但在课堂上不涉及其原理和结构.

指针式的电工测量仪表中测量电流的主要有3类：磁电式(永磁动圈式)、电磁式(电磁动铁式)和电动式(电磁动圈式).其中磁电式电表是直流电表，要测量交流电，需要经过整流，加整流装置后的称为磁电整流式，而电磁式和电动式则是交、直流两用电表.

1磁电式表头的工作原理

中学生首先是在学习恒定电流内容时接触到电流表和电压表的，中学(也包括普通大学)物理实验室里使用的大都是磁电式电表，又称永磁动圈式电表，它本身是直流电表，相比电磁式和电动式的电流表和电压表，刻度均匀是其显著的特点.

图1　磁电式表头的测量机构

磁电式电表的测量机构如图1所示，其产生转动力矩的原理图如图2所示.其中永磁铁的磁极处各加一个极掌，从而形成两个弧形的磁极，固定在仪表支架上的圆柱形铁心位于两磁极的中心，与两个磁极间的缝隙中形成幅向的均匀磁场.可动线圈绕在一个铝框上，它两端与游丝相连，并与指针、平衡锤等组成电表的可动部分.

图2　磁电式测量机构产生转矩的原理

当可动线圈中通过直流电流I时，线圈两边受到磁场的方向相反的作用力F，从而产生转动力矩M，带动指针一起转动，而两端的游丝将产生反作用力矩M′，当转动力矩M与反作用力矩M′大小相等时，即达到平衡，最终指针偏转某一个角度后停止下来.

由于线圈在幅向磁场内的各个位置，线圈平面都与磁场方向平行，线圈与磁场垂直的那条边速度方向始终与磁场垂直，且各处磁感应强度大小相等，因此线圈受到的磁场力矩M∝I，而游丝的反作用力矩M′正比于偏转的角度α，即M′∝α.因此，当电表停止转动，即达到力矩平衡时，指针偏转的角度α∝I，这就是它刻度均匀的原因.

2磁电式整流式交流电流表测量的是什么物理量

使用磁电式表头要测量交流电，必须加整流装置，例如使用如图3所示的全波整流装置，整流前的波形为正弦波，经整流后成为脉动直流电，分别如图中两边所示.

图3　全波整流装置及整流前后的波形

磁电式表头加整流装置，再加上其他一些必要的元件，就可以制成量程满足需要的交流电流表.问题的关键是：这种电流表指针指示的是交流电的什么值？

在《电工仪表与测量》(高等教育出版社2004年第二版，文春帆、金受非主编)第35页中对此有明确的说明,“磁电系测量机构与整流电路组合而成的整流式仪表所指示的是整流后的单向脉动交流电压或电流的平均值，而在工程技术中通常需要测量交流电压或电流的有效值.为了满足这一需要，万用表交流电压或电流的标度尺是按正弦交流电压或电流的有效值来刻度的.因此，万用表原则上只适用于正弦交流电压或电流的测量.如果将万用表用于非正弦交流电压或电流的测量，则应根据被测非正弦交流电压或电流的波形因数，对测量结果进行修正.”

从这段话我们知道：

(1)这种电流表指示的是交流电流的平均值.对此，中学教科书中没有涉及，中学教师和学生对此也不熟悉，但对上述这段话，是会欣然接受的：表头中的指针与动圈等组成的转动机构具有较大的惯性，在通过50Hz的交变电流时，它是不可能随电流的瞬时值的变化而快速变化的，只能指示一个平均值，如果不经整流把磁电式表头直接接在交流电路中，它的指针将停在零刻度线位置不动，这正是交流电非绝对值的平均值.

(2)这种电流表的刻度标尺是按电流的有效值刻度的.

交流电流经过全波整流后的理想波形如图3右边所示，设其峰值为Im，其平均值为

(1)

未整流前交变电流的有效值为

(2)

这就是说，如果测量的是峰值为Im的正弦交变电流，该电流表指示的是直流刻度标尺的0.637Im处，但我们在交流电流标度尺上刻的却是0.707 Im的数值.

(3)这种电表原则上只能测量正弦交流电的电流，如果将它“用于非正弦交流电流的测量，则应根据被测非正弦交流电流的波形因数，对测量结果进行修正.”如果在电路中串联有一个半导体二极管，交流电被截去一半，其波形如图4所示，只剩下半个周期有按正弦规律变化的电流，而另外半个周期电流为零，这显然属于“非正弦交流电流”，这时串联在电路中的磁电整流式交流电流表的指针指示的位置处所标的数值，已经不表示此时的有效值了，或者说这种电流表测量非正弦变化的电流时，其标尺上标注的数字已经没有意义了(当然可以根据波形情况进行修正).

图4　半波整流后的波形

那么，此时电流表指针指在何处呢？答案是：仍指示平均值的数值.简单计算如下：

(3)

3其他类型的电流表有什么不同

3.1电动式电表

电动式电表是交、直流两用电表.它有定圈和动圈两个线圈，定圈是产生磁场用的，动圈则与指针相连接，因此这种电表又称电磁动圈式电表.电动式电表作电流表使用时,量程在0.5A以下的，动圈和定圈一般是串联的，即待测电流依次通过动圈和定圈，因此通过两个线圈的电流相等，其指针偏转角度α∝I2，因此，电动式电流表的刻度盘是不均匀的，其起始部分刻线较密，靠近上量程处则刻线稀疏，以量程为0.5A的电流表为例，其刻度盘上刻度大致分布如图5所示.刻度盘刻度均匀与否，是电动式电流表与磁电式电流表的一个显著的不同.

图5　量程为0.5 A电动式电流表的刻度盘示意图

3.2电磁式电表

电磁式电表也是交、直流两用电表，其固定部分为电磁铁，即线圈绕制在软铁心上，而其转动部分则是一个铁片，它与指针相连接，因此称为电磁动铁式电表.当待测量的电流通过固定的线圈，即产生磁场，而铁片被磁化，它与磁场相互作用产生转动力矩，带动指针一起转动，同时，转动机构两端的游丝产生反作用力矩，二者达到平衡后停止转动.

3.3数字式电表

数字式电表的基本结构也是按直流设计的，它需要测量交流电时，也要经过整流(但不一定使用二极管作为整流元件)，由于所涉及的问题较多，本文不深入讨论.

上面3种电表，结构和原理虽不相同，但在测量交流电时有一点是共同的，即它们的刻度盘上标注的或数字表盘上显示的，都是交流电的有效值.各种电表设计时都是按正弦交流电设计的，是否适用于测量非正弦交流电，则要具体进行分析，一般直流电表加整流装置而成的交流电流表或电压表，在测量非正弦交变电流时，原则上表盘上的示数不再有意义.

4关于一道题目的讨论

【题目】如图6所示，交流电流表A串联在由定值电阻R和半导体二极管D组成的电路中，在二极管旁还并联着一个开关S，闭合S，二极管被短路；断开S，二极管串联在电路中.试讨论二极管短路前后，电流表的示数如何变化.