《电磁学实验》操作复习要点-(10级).doc

一、电表改装参 考 方 法一、 实验电路如图A-1。RS、RF用电阻箱，RL用元器件单元板上的5.0K电阻。 虚线框内为改装表的电路。 分流电阻RS、分压电阻值RF数值计算如下：电流档分流电阻：422.22（）改装电压表时等效表头的满程电流值IV0Im200.0A，电压档等效表头的内阻为：=380.0（）电压档分压电阻为：99.62（K）二、 按图A-1连接好电路。 根据求得的RS、RF值预先调好对应的电阻箱数值，R0的滑动端先置于图中所示的下端。三、1. 标准表选择据本题提供的标准表量程，满程校准时，对Im(=200.0A)档，标准表应选ImP=200.0A档，对Um(=20.00V)档应选用UmP=20.00V。 对改装表进行满程校准校准方法如下：先对200.0A档进行满程校准。将K0合向“1”端（200.0A档位置），接通电源E。调节E及R0、RP使改装表或200.0A标准表指示满程，再反复调节RS，并适当调节R0、RP使改装表指示满程值，200.0A标准表亦恰好指示满程。200.0A档校准完毕后，先将E值调至接近0伏，再将K0合向“2”端（20.00V档位置）。先调节E及R0、RP使改装表或20.00V标准表指示满程，而后反复调节RF，使改装表指示满程值，20.00V标准表亦恰好指示满程。至此，满程校准完毕，记下此时对应的RS、RF数值，即为分流、分压电阻的实际值。 对改装表进行刻度值校对保持满程校准后的RS、RF数值不变，先将R0滑动端调至使其输出电压为零的位置，将K0合向200.0A档位置，然后调节E、R0及RP使改装表分别指示在IX20.0、40.0、200.0A的各个数值上，读取并记录标准表对应的指示值IP。先由小到大，再由大到小每隔20A校对一点。电流档刻度值校对后，将R0滑动端调至使其输出电压为零的位置，将K0合向20.00V档位置，调节E、R0及RP使改装表分别指示在UX2.00、4.00、20.00V的各个数值上，读取并记录标准表对应的指示值UP。同理先由小到大，再由大到小每隔2V校对一点。2. 表格及数据记录 表A-1 满程校准相关数据记录分流、分压电阻计算值实际选用值RS(K)RF(K)表A-2 改装表200.0A档刻度值校对相关数据记录 标准表量程：ImP=200.0A 、准确度等级：aAP=0.5；被校对表量程：ImX=200.0AIX(A)0.020.040.060.080.0100.0120.0140.0160.0180.0200.0IP（A）A）由小到大由大到小IX(A) 表A-3 改装表20.00V档刻度值校对相关数据记录 标准表量程：UmP=20.00V 、准确度等级：aVP=0.5；被校对表量程：UmX=20.00VUX(V)0.02.004.006.008.0010.0012.0014.0016.0018.0020.00UP（V）由小到大由大到小UX(V)3. 绘制误差曲线根据测得的IX、与UX、数据，按、计算各IX、UX对应的偏差值IX、UX（V），再分别以IX、UX为纵坐标，分别以IX、UX为横坐标作出误差曲线。【要求坐标轴比例合适、作图时描点准确。】 计算并确定改装表200.0A 档和20.00V档相对于标准表的准确度等级。(a) 确定200.0A 档的准确度等级i. 计算准确度等级找出的最大值，按下式计算aAX值。aAX+aAP = ii.确定准确度等级根据求得的aAX值，按国家标准中规定的电表的七个误差等级（0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0）中，取大于aAX值的最小一个等级数字作为改装表200.0A档的准确度等级，得：aA= 。(b) 确定20.00V 档的准确度等级i. 计算准确度等级aVX+aVP = ii.确定准确度等级aV= 。 结果报道1. 利用两个电阻箱，分别取RS= 、RF= 能够将量程为20.00的微安表改装成符合题目要求的两个量程的复合表。2. 改装表200.0A 档的误差曲线如图 ；其准确度等级为aA ；20.00V档的误差曲线如图 ；其准确度等级为aV 。二、伏安法的应用参 考 方 法一、测量电路如图B-1。测量方法及公式用电阻箱作为负载电阻RZ，选取合适的RZ值，接通电源后，记下A表和V表的指示值I和U。当设A表的内阻为RA时，可得：U=I（RZ+RA） (1) 电表的内阻为： (2) 二、 确定电压表量程Um、电源电压值E、负载电阻RZ及分压器R0的数值。i.选择电压表量程和电源电压值根据本题所提供的设备，为方便读取电压测量值和减少测量误差，可取电压表量程Um2.000V.。实验中取电源电压值略大于电压表量程值，因此可取E=2.2V。注意：由于U值越大，仪表引入的B类标准不确定度亦大【见下式】，因此，为减少测量误差，应尽量选择小量程电压表。ii. 确定电阻箱数值 由式(1)可知,当V表指示满程值时：Um=Im（RZ+RA），则作为负载RZ的电阻箱应取值为： 1.700（K）电阻箱允许的最大电流值为IZ015.8mA，电阻箱允许的电流值IZ0远大于电流表量程值1000A。因此RZ值的选择可行。iii.确定分压器R0数值设电压表的内阻为RV，则有：5002.0001.00K。为了使作为分压器的滑线变阻器的输出电压能较均匀地调节，通常应取 。而对于图B-1，应取根据实验室所提供的变阻器，应选择R0=240、IR0=2A的滑线变阻器作为分压器。则在滑线变阻器R0的滑动端无限接近于图B-1所示的上端头时，通过R0上端部的电流达到了最大，此时的最大电流值为： 可见值远小于滑线变阻器额定电流值(=2A)，上述选择安全可行.。 按图B-1连接电路。 电路检查无误后接通电源，调节E和R0，使电流表分别指示在800A、850A、900A、，记录对应的电压值。三、 表格及相关数据记录如下：表B-1 待测A表内阻估计值：0.30KUm (V)aVIm (A)aARZ (K)aRZR0 ()2.0000.510000.51.7000.1240表B-2测量值记录 实验中，取E=2.2VI (A)8008509009501000U (V)1.611.712 1.8121.908 2.000RAX(=U/IRZ)312.5314.1313.3308.4310.1 RA标准不确定度的估算 i. 多次重复测量的差异引入的A类标准不确定度311.6 （） 1.06（） ii.电表和电阻箱本身的误差而引入的B类标准不确定度 电流表、电压表基本误差而各自引入的B类标准不确定度：2.89（A）2.8910-6（A）5.7710-3（V）电阻箱基本误差而引入的B类标准不确定度：0.981（） 电流、电压表的基本误差而共同引入的B类标准不确定度：1.42（） 仪表误差而引入的合成B类标准不确定度 1.73（）上式中I、U可取电表测量值的中间数值（即取表B-2中I=900A和该电流值对应的电压值U=1.812V）iii.电表内阻RA测量的合成标准不确定度： 1.982（） (7) 0.64%0.7%结果报道1. 3122（）2. 测量相对误差0.7% 三、电桥法的应用参 考 方 法一、 测量电路如图C-1。图中，用电阻箱作为R2，用滑线变阻器作为R3、R4组装电桥。 测量原理、方法及公式测量时，将滑线变阻器的滑动端C大体上调至变阻器的中部。设其BC端及CA端对应的电阻值分别为R3、R4。合上KE后，调节R2使IG=0, 电桥达到平衡。可得： 即： (1) 保持变阻器滑动端C的位置不变，对调R4、R3的位置（即使电路转换为图C-2的形式），重新调节R2使电桥又达到平衡。设，此时R2的数值变为。则又有： 即 (2) 将（1）（2）可得： (3) 二、 工作电源电压值E的选择 已知RX0.50K，且测量时取R3R4，故R20.5000K。RX、电阻箱R2允许通过的最大电流值分别为：44.7（mA） =50.0（mA）而滑线变阻器的额定电流为I0=0.5A。显然，待测电阻的额定电流值IRX0最小，要确保电路安全，应以IRX0为参考来确定电源电压值E。所以应取 =44.7（V） 为确保电路安全，可选E7044.731V。【实际中若电路的灵敏度过高（Sb20000div），造成电桥平衡调节困难，还应适当降低E值。】 按图C-1正确连接电路。 测量RX （不要求写步骤）i. 先按估计值预调好R2值和变阻器滑动端C的位置，然后放开检流计的短路开关，调好其零点，再接通直流稳定电源，调节其电压输出旋钮，使其输出值约为31V，且使电源处于稳压状态，然后记下电源电压实际值。ii. 先用先用万用表最小直流电压档检测检流计G两端的电压值，调节R2使万用表指示零值，然后撤去万用表，间歇地按下检流计按钮开关KG，精细调节R2直到IG=0，电桥达到平衡，记下此时对应的R2值。保持变阻器滑动端C的位置不变，断开KE，将电路改接为图C-2电路。接通电源后，保持电源电压值不变，再次调节R2直到IG=0，电桥达到平衡，记下此时电阻箱对应的值。iii.微移变阻器滑动端C的位置， 重复步骤ii.再次测出RX（至少再测二次）。 测量电桥的灵敏度Sb。可在第一次调节电桥平衡后，记下对应的比较臂电阻R2数值，然后改变R2使之变化为值，记下此时检流计偏转的格数值；再使R2变为，记下检流计相应的偏转格数及。【注：与一般控制在10格左右】三、 表格及数据记录表C1 电阻箱R2的准确度等级aR2 =0.1 检流计分辨率NR2() (div) (div)123 数据处理计算RX、SP = （） = （） = （） （）、 （div）、= （div）估算RX测量标准不确定度i. 重复测量引入的不确定度： （）ii. 桥臂电阻引入的测量不确定度 故为了计算简便，本实验取uB(R2)、uB(R2) 则 = = （）注：式中uB(R2)为电阻箱的基本误差而引入的B类标准不确定，uB(R2)，式中bm为电阻箱倍率档旋钮接触电阻及导线电阻引入的附加误差项。由于电阻箱各倍率档准确度等级aR值不完全相等，因此R2aR%项原则上应分段进行计算，但当电阻箱输出值R2较大时，忽略bm项且R2aR%不分段计算对uB(R2)值影响不大。故可按a%iii. 电桥灵敏度限制而引入的测量不确定度 = （）iv. RX的合成不确定度 （） 结果报道 = （）、SP= （div）四磁场的描绘参 考 方 法一、1. 实验连线图如图D-2。按图正确连接电路。2. 推导计算式当线圈通以正弦交变电流时，在线圈周围便产生正弦交变磁场，置于正弦交变磁场中的探测线圈便产生的感应电动势值，其中， 为感应电动势的峰值。当调节探测线圈的取向使0（即缓慢旋转探测线圈，直到交流毫伏表指示最大值）时，可得： 式中，N0为探测线圈的匝数。则对应的感应电动势有效值为： 实验时由交流毫伏表直接测出Umax后可得测试点的磁感应强度为： 式中，S探测线圈的等效截面积，已知，则测试点磁感应强度实验值的计算式为： 二、i. 电路连接后，仪器开机预热10分钟，然后调节线圈的励磁电流和励磁电流的频率，使I100.0mA，f =150.0HZ。ii.保持I、f数值不变，在X轨道槽上移动探测线圈，使之处以表F-1中轨道标尺各读数值的位置，在0方向，缓慢旋转探测线圈的取向，使数字毫伏表显示最大值，记下相应的感应电动势的最大有效值Umax1，同法，再在1800方向，测出感应电动势的最大有效值Umax2。三、1.记录表格、测量数据如下表D-1、D-2.。D-1 取X轴坐标原点在左线圈圆心O左 处，线圈励磁电流：I = 100.0 mm(有效值),频率：f = 150.0 HZ。标尺读数(mm)52.540.030.020.010.00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.0X (mm)0.012.522.532.542.552.562.572.582.592.5102.5112.5122.5132.5142.5UX (max) (mA)012.5512.2311.6110.789.828.817.856.896.025.244.543.943.443.022.6418012.4012.0811.4810.669.728.727.736.785.935.134.423.833.322.882.502. 各测试点相对磁感应强度的实验值 、1+(X/R)2-3/ 2，计数值见表D-2。X (mm)0.012.522.532.542.552.562.572.582.592.5102.5112.5122.5132.5142.5X/R0.0000.1190.2140.3100.4050.5000.5950.6900.7860.8810.9761.0711.1671.2621.3571.0000.97430.92550.85930.78320.70260.62440.54790.47900.41560.35910.31140.27090.23650.20601+(X/R)2-3/ 21.0000.97910.93490.87180.79650.71550.63450.55720.48620.42250.36640.31770.27560.23960.2087EB （ %）0.0%-0.49%-1.01%-1.43%-1.67%-1.81%-1.58%-1.68%-1.49%-1.62%-1.99%-1.96%-1.70%-1.30%-1.31%曲线图如图D-3所示3. 各测量点的相对误差按下式计算，计算结果见表D-2 测得载流圆线圈的磁感强度沿轴线的相对分布规律如图D-2所示。从表F-2可知，实验测得的曲线与理论曲线的最大相对误差 EBmax=2%，实验相对误差较小，可见测量结果与理论结果基本吻合。七、霍尔效应的应用参 考 方 法一、1. 图E-1中的各导线与霍尔效应测试仪的接线位置如图E-2。按该接线图连接好电路。2. 霍尔系数RH测量公式如下式。 式中，d为霍尔效应片的厚度，B0为亥姆霍兹线圈中心区域的磁感应强度，UH为霍尔效应片通以IS电流后在此区域测得的霍尔电压值。利用霍尔效应测量亥姆霍兹线圈中磁感强度BX的测量公式如下式。 式中，IS为霍儿片移至离亥姆霍兹线圈中心区域X处时霍尔片输入的电流值，UHX为在X处测得的霍尔电压。3.实验操作步骤i. 电路连接完后，将将霍儿片移至亥姆霍兹线圈中心区域（X=0处），实验仪的“IS输入”及“IM输入”转换开关按下【即先取IS、B】，“VH输出”转换开关弹起。再将测试仪上IS输出调节旋钮及IM输出调节旋钮逆时针方向调到底，使其输出电流处于最小状态，然后接通测试仪的工作电源开关。ii. 测试仪通电预热15分钟后，暂时拆去实验仪上“VH输出”端的两条接线，用一根连接线将测试仪上mv表的输入端短路，然后调节mv表的零点校正旋钮使mv表显示值为0.00mv。再将实验仪上“VH输出”端的两条接线重新接好。【注：若测试仪上测霍尔电压的毫伏表显示不不稳定或零点漂移厉害，可用DM-V2数字电压表替代】iii. 调节测试仪上IM输出调节旋钮，使IM=0.500A，然后保持IM值不变，按表G1要求改变IS值及操作测试仪上“IS输入”、“IM输入”转换开关按钮，使IS、B分别为“+IS 、 +B ”，“+IS 、 -B ”，“-IS 、-B ”，“-IS 、+B”测出相应的UH值。iv. 将霍儿片移至离亥姆霍兹线圈中心区域右端2cm处，仍取亥姆霍兹线圈励磁电流IM=0.500A，按表G2要求改变IS值及操作测试仪上“IS输入”、“IM输入”转换开关按钮，使IS、B仍分别为“+IS 、 +B ”，“+IS 、 -B ”，“-IS 、-B ”，“-IS 、+B”测出相应的UH值。测出相应的UHi值。二、1. 按上述步骤i.iii.操作，测出相应的UHi值后，按 求出各IS值对应的霍尔电压值（见表G-1），再按式求出各IS值对应的霍尔系数RHi（见表G-3）及。2. 按上述步骤iv.操作，测算出各IS值对应的UHi值后（见表G-2），按式求出各IS值对应的BX值及值。三、1. 设计的记录表格及测量数据记录如下表。表E1 霍尔片输入不同IS值时在姆霍兹线圈中心区域的霍尔电压UH测量记录 取励磁线圈的电流IM=0.500AIS (mA)UH1UH2UH3UH4UH (mV)+IS、B+IS、BIS、BIS、BIS输入转换开关按下IS输入转换开关按下IS输入转换开关弹起IS输入转换开关弹起IM输入转换开关按下IM输入转换开关弹起IM输入转换开关弹起IM输入转换开关按下2.00 -0.53 0.38 -0.36 0.54 -0.453 3.00 -0.79 0.57 -0.55 0.81 -0.680 4.00 -1.05 0.76 -0.74 1.08 -0.908 5.00 -1.31 0.96 -0.92 1.35 -1.135 6.00 -1.57 1.15 -1.10 1.62 -1.360 表E2 霍尔片输入不同IS值，在姆霍兹线圈中心区域右端轴线上X=2cm处的霍尔电压 UH测量记录 取IM=0.500AIS (mA)UH1UH2UH3UH4UH (mV)+IS、B+IS、BIS、BIS、BIS输入转换开关按下IS输入转换开关按下IS输入转换开关弹起IS输入转换开关弹起IM输入转换开关按下IM输入转换开关弹起IM输入转换开关弹起IM输入转换开关按下2.00 -0.36 0.25 -0.20 0.41 -0.305 3.00 -0.55 0.36 -0.32 0.60 -0.458 4.00 -0.75 0.48 -0.43 0.79 -0.613 5.00 -0.94 0.59 -0.55 0.98 -0.765 6.00 -1.13 0.71 -0.66 1.18 -0.920 表E3霍尔元件样品的霍尔系数实验值计算 IM=0.500A、线圈中心区域磁感应强度B05.8799103T、霍尔片厚度0.0012cm.IS (mA)2.00 3.00 4.005.00 6.00 UH (mV)-0.453 -0.680 -0.908 -1.135 -1.360 (Vcm/AT)-0.0462 -0.0463 -0.0463 -0.0463 -0.0463 =0.0463(Vcm/AT)表E4亥姆霍兹线圈中轴线上X=2cm处的磁感强度计算 IS (mA)2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 UHX(mV)-0.305 -0.458 -0.613 -0.765 -0.920 (103T)3.95 3.96 3.97 3.97 3.98 =3.966 (103T)2. 绘制UHIS曲线相关数据如下表IS (mA)2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 UH (mV)-0.453 -0.680 -0.908 -1.135 -1.360 绘制UHIS曲线如下图E-3所示。3.结果报道i. 测得霍尔片样品在励磁电流IM=0.5A时，霍尔控制电流IS与霍尔电压UH的关系图如上图E-3，图线与直线（图中的虚线部分）基本重叠，可见，霍尔元件在均匀磁场中，霍尔控制电流与霍尔电压是呈线性关系的。ii. 测得霍尔元件样品的霍尔系数实验值为：=0.046 Vcm/AT。iii. 测得当励磁电流IM0.500A时，亥姆霍兹线圈中轴线上X=2cm处的磁感强度为： 3.97103T六、RLC串联电路的相频特性参 考 方 法一、电路连接图如图F-1。其中，示波器CH1通道显示电阻两端的电压UR的波形，CH2通道显示电路输入的总电压US的波形。要使电路的谐振频率f0=2000HZ，应取电容值为：0.6333（F）二、 测量步骤i. 双