电流表的工作原理--转.doc

年 级高二学 科物理版 本通用版内容标题电流表的工作原理编稿老师朱爱农【本讲主要内容】电流表的工作原理电流表工作原理、磁力距【知识掌握】【知识点精析】（一）电流表的构造如图所示是电流表的构造图，在一个很强的蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁芯，铁芯外面套有一个可以转动的铝框，铝框上绕有线圈，铝框的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针，线圈的两端分别接在这两个螺旋弹簧上，被测电流通过这两个弹簧流入线圈。电流表主要是由永磁铁和可转动的线圈组成（二）电流表的工作原理设线圈的导线所处位置的磁感应强度大小为B，线框长为L，宽为d，线圈匝数为n，通有电流I时，安培力对转轴的磁力矩为 1. 线圈的导线处于蹄形磁铁和铁芯间辐向均匀分布的磁场中，如图所示。 2. 磁力矩，其中安培力，所以。线圈不管转到什么位置，它的平面都跟磁感线平行，磁力矩不变。 3. 两弹簧的扭转力矩，为线圈转动的角度（指针的偏角），阻碍线圈的转动。 4. 与相平衡时指针的偏角由得：。（三）磁电式电流表的特点 1. 表盘的刻度均匀，。 2. 灵敏度高，但过载能力差 3. 满偏电流，内阻反映了电流表的最主要特性。（四）通电线圈在匀强磁场中所受的磁力矩 1. 计算公式设匝数为n的正方形线圈abcd边长为L，处于磁感应强度为B的匀强磁场中，线圈平面跟磁场方向间的夹角为，如图所示，则当线圈中通有电流I时，线圈所受的磁力矩。ab、cd边所受安培力。所以磁力矩磁力矩计算公式的一般表示：讨论：线圈在什么位置所受的磁力矩最大或最小。 2. 磁力矩计算公式的适用条件（1）匀强磁场，转轴O垂直于磁场，但与轴的位置无关。（2）任意形状的平面线圈，只要线圈所围面积为S就可代入计算。【解题方法指导】 例1. 一单匝线圈abcd，面积为S，通入电流为I。方向如图所示，在磁感应强度为B的匀强磁场中，线圈平面与B成角，此时线圈所受的磁力矩为（ ）A. ；顺时针B. ；逆时针C. ；顺时针D. ；逆时针解析：由左手定则可判知线框左边ab所受安培力竖直向下，右边cd所受安培力竖直向上，而bc边和ad边所受安培力相互抵消，所以通电线圈在匀强磁场中所受的总力矩，即磁力矩为 。根据ab边和cd边的受力，可以肯定通电线圈将沿逆时针方向转动，所以磁力矩的方向为逆时针方向，故选项D是正确的。说明：有关力矩的知识（杠杆原理）在初中就已学习过，在此只不过产生力矩的力是安培力罢了，所以把该力矩称为磁力矩。对磁力矩的正确理解和计算是解决本题的关键。【考点突破】【考点指要】 1. 明确各种图示下电流方向、磁场方向与安培力方向的关系，及安培力大小的计算。 2. 理解电流表的工作原理及磁电式电表的优、缺点。 3. 高考中多以选择题做考查。【典型例题分析】 例2. 如图所示，质量均匀分布的正方形金属线框可绕Z轴无摩擦地转动，线框每边长，每边质量，沿y轴正方向的匀强磁场的磁感应强度大小，线框平衡在图示位置时与竖直方向的夹角，求线框内的电流大小和方向。解析：磁场对通电线框的安培力矩（磁力矩）为。线框的重力对转轴的力矩为根据具有固定转动轴物体平衡的条件有由左手定则可以判定，线框中的电流方向沿方向观察为逆时针。 例3. 下列哪些措施可以提高电流的灵敏度（ ）A. 增加线圈的匝数B. 增强磁极间的磁感应强度C. 减小线圈的电阻D. 换用不易被扭转的螺旋弹簧解析：电流表工作时，磁力矩和螺旋弹簧产生的机械力矩相平衡，即电流表的灵敏度可表示为，可见，提高电流表的灵敏度，可以通过增加线圈匝数n，增强磁感应强度B，加大线圈面积S或减小k（选用容易被扭转的螺旋弹簧）来实现。正确选项为AB。说明：理解灵敏度的意义，即通过单位电流时，指针偏转过的角度。 例4. 电流计的磁场为均匀辐向分布的磁场，如图所示，线框abcd的边长为，共有50匝，线框两边所在位置的磁感应强度为。已知线框每偏转 1，弹簧产生的阻碍线框转动力矩为。问：（1）线圈中电流为时，指针将转过多少度？（2）如果指针的最大偏转为90，则这只电流计的量程是多少？（3）当指针的偏转角为40时，通入线框的电流是多大？解析：因为磁场是均匀辐向分布的，所以线框平面始终跟磁感线平行。线框不转动时，磁力矩跟弹簧力矩相平衡，所以（1）平衡时有。（2）最大允许电流（量程）对应指针的最大偏角，故有：（3）偏转角40时，弹簧力矩为说明：本题是一个电流表工作原理的实际应用题，通过本题考查应用了力矩平衡的有关知识，望同学们能通过该题进一步加深对电流表工作原理的了解。【达标测试】 1. 一段通电的直导线平行于匀强磁场放入磁场中，如图所示，导线上的电流由左向右流过。当导线以左端点为轴在竖直平面内转过90的过程中，导线所受的安培力（ ）A. 大小不变，方向也不变B. 大小为零逐渐增大，方向随时改变C. 大小由零逐渐增大，方向不变D. 大小由最大逐渐减小到零，方向不变 2. 在如图的三维空间内，匀强磁场方向沿方向，在平面内有一通电直导线。若它所受的安培力方向沿方向，则（ ）A. 该通电导线一定不会沿平行Ox方向放置B. 该通电导线一定平行Oz方向放置C. 无论通电导线怎样放置，它总受到方向的安培力D. 沿方向观察导线中的电流方向，应该为向右 3. 如图所示，在倾角为的光滑斜面上，垂直纸面水平地放置一根长为L，质量为m的通电直导线，电流方向垂直纸面向里，欲使导线静止于斜面上，外加磁场磁感应强度的大小和方向可以是（ ）A. ，方向垂直斜面向下B. ，方向竖直向下C. ，方向水平向左D. ，方向水平向右 4. 关于磁电式电流表，下列说法中正确的有（ ）A. 电流表的线圈处于匀强磁场中B. 电流表的线圈处于均匀辐向磁场中C. 电流表的线圈受到磁力矩作用发生偏转的同时还受到阻碍它转动的机械力矩作用D. 电流表指针的偏转角与所测的电流成正比 5. 如图所示的四种情况中，匀强磁场中的矩形通电线圈能够发生转动的是（ ） 6. 如图所示，匀强磁场中有一通以方向如图的稳恒电流的矩形线圈abcd，可绕其中心轴转动，则在转动过程中（ ）A. ad和bc两边始终无磁场力作用B. cd、ba两边受到的磁场力的大小和方向在转动过程中不断变化C. 线框受的磁场力在转动过程中合力始终不为零D. ab、cd两边受到的磁场力的大小和方向在转动过程中始终不变 7. 把正方形导线圈用细线挂在通电直导线附近，两者在同一平面内，其中直导线固定，线圈可以自由活动，如图所示。当正方形导线圈通以如图所示的电流时，线圈将（ ）A. 不动B. 发生转动，同时靠近导线ABC. 发生转动，同时离开导线ABD. 靠近导线ABE. 离开导线AB 8. 电流表的矩形线圈匝数匝，矩形线圈处在磁场中的两条边长，另两条边长，指针每偏转1，螺旋弹簧产生的阻碍线圈转动的力矩，指针的最大偏角为80，已知电流表磁极间沿辐向均匀分布的磁感应强度大小，求该电流表的满偏电流值。 9. 在磁感应强度，方向竖直向下的匀强磁场中，一根长度，质量的金属横杆水平地悬挂在两根长度均为的轻细导线上，电路中通有如图所示方向的电流，电流强度保持为2.5A不变，横杆在悬线偏离竖直位置=30处由静止开始摆下，求横杆通过最低位置时的瞬时速度大小。【综合测试】 1. 如图所示，矩形线圈abcd可绕对称轴转动，开始时线圈平面与磁场方向平行，按图示方向通以电流I，线圈从图示位置转过90的过程中，ab边所受的磁场力F和线圈所受的磁力矩M的变化情况是（ ）A. F不变，M变大B. F不变，M变小C. F变大，M变大D. F变小，M变小 2. 如图所示，在磁感应强度为B的匀强磁场中，放着电流强度为I的通电金属框，已知ab和cd的边长均为，bc边长为，为转轴，在图示位置时线框平面和磁感线平行，这时（ ）A. 图（a）中的线框对转轴的磁力矩为B. 图（b）中的线框对转轴的磁力矩为C. 图（a）中的线框对转轴的磁力矩为零D. 图（b）中的线框对转轴的磁力矩为零 3. 对于放在匀强磁场中的通电线圈，下列说法中正确的是（ ）A. 线圈平面平行磁感线时，所受合力为零，合力矩最大B. 线圈平面平行磁感线时，所受合力最大，合力矩也最大C. 线圈平面垂直磁感线时，所受合力最大，合力矩为零D. 线圈平面垂直磁感线时，所受合力为零，合力矩也为零 4. 如图所示，一位于xOy平面内的矩形线圈只能绕Ox轴转动，线圈的四条边分别与x、y轴平行，线圈中电流方向如图所示。当空间加上下列哪种磁场时，线圈会转动起来（ ）A. 方向沿x轴的恒定的磁场B. 方向沿y轴的恒定的磁场C. 方向沿z轴的恒定的磁场D. 方向沿z轴的变化的磁场 5. 如图所示，通电线圈在匀强磁场中以为转轴时，所受的最大磁力矩为，则线圈若以bc为转轴时所受的最大磁力矩为_，从图示位置绕bc转过60时线圈所受的磁力矩为_。 6. 如图所示，水平放置的光滑的金属导轨M、N，平行地置于匀强磁场中，间距为d，磁场的磁感应强度大小为B，方向与导轨平面夹角为。金属棒ab的质量为m，放在导轨上且与导轨垂直。电源电动势为E，定值电阻为R，其余部分电阻不计。则当电键K合上时，棒ab受到的安培力的大小为_，方向为_，棒的加速度大小为_。 7. 某电流表中的线框是由100匝铜线绕成的，其面积为，磁极间的磁感应强度,当通以的电流时，指针指向偏转30，如果指针的指向偏转了45，那么线圈中的电流为_，此时线框受到的磁力矩为_。 8. 通电导线CD，悬挂在磁感应强度为B（向上）的匀强磁场中，如图所示。导线通以电流I后，向纸外移动角后平衡，若导线长为L，则所受安培力大小为_，电流大小是_，方向为_，（已知导线CD的质量为m） 9. 如图所示，当S闭合时，在螺线管上方的一根小软铁棒被软化，左端为N极。试判断通电螺线管的极性和电源的极性，这时用绝缘线悬挂的小通电圆环将怎样转动（俯视）？ 10. 如图所示，半径为的铝环，有N根辐条，处于方向垂直环面向里，大小的匀强磁场中，转轴和环通过电刷与电源相连接，调节R，当电流表的示数时，铝环匀速转动，求皮闸P对铝环的摩擦力大小（不计转轴处和电刷处的摩擦）。【达标测试答案】 1. C 2. 解析：当通电直导线与匀强磁场平行时，它不受安培力作用，既然导线在xOz平面内受到了磁场作用，它肯定不会与Ox方向平行放置。因此选项A正确。根据左手定则确定的关系可知：安培力一定垂直于磁场方向和电流方向确定的平面，但电流方向不一定要与磁场方向垂直放置才受到安培力，因此选项B错误。根据左手定则判定知：通电导线如果任意放置在xOz平面内，它受到的安培力方向有沿方向和方向两种可能。沿Ox方向观察，当电流向右时，安培力沿方向；当电流向左时，安培力沿方向。因此选项C错误，选项D正确。所以AD选项正确。说明：（1）本题考查对安培力公式的理解和左手定则的应用，特别是对三维空间图形的认识是否全面进行重点考查。（2）有的学生认为安培力方向沿y轴就想当然地认为B就沿x轴正方向，而本题中并未说明此电流所受安培力为最大值，若是最大值则B一定沿x轴方向。 3. ABC 4. BCD 5. AD 6. D 7. D 8. 解析：电流表指针达满偏（偏转80）时，螺旋弹簧中产生的力矩设电流表的满偏电流为，满偏时通电线圈所受的磁力矩由满偏时两力矩相平衡，得：即。 9. 0.35m/s【综合测试答案】 1. B 2. AD 3. AD 4. B 5. ； 6. ；斜向左下方； 7. ； 8. ； 9. 解析：软铁棒被磁化后左端为N极，表明软铁所在处的磁场方向向左，根据通电螺线管内外的磁感线的分布情况，利用安培定则可判断出螺线管的左端为S极，右端为N极，电