磁电式电流表工作原理

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磁电式电流表工作原理 [复制链接]

    磁电式电流表即为中学物理常用的测量闭合回路电流大小的仪器。当电流通过线圈时，导线受到安培力的作用，线圈左右两边所受安培力的方向相反，安装在轴上的线圈就会转动。线圈中的电流方向改变时，安培力的方向随着改变，指针的偏转方向也随着改变。根据指针的偏转方向，可以知道被测电流的方向。

工作原理
电流表由于蹄形磁铁和铁芯间的磁场是辐向均匀分布的，因此不管铜电线圈转到什么角度，它的平面都跟磁感线平行。因此，磁力矩与线圈中电流成正比（与线圈位置无关）。当铜电线圈转动时，螺旋弹簧将被扭动，产生一个阻碍线圈转动的阻力矩，其大小与线圈转动的角度成正比，当磁力矩与螺旋弹簧中的阻力矩相等时，线圈停止转动，此时指针偏向的角度与电流成正比，故电流表的刻度是均匀的。当线圈中的电流方向改变时，安培力的方向随着改变，指针的偏转方向也随着改变，所以，根据指针的偏转方向，可以知道被测电流的方向。

磁电式电流表的读数是应用了电磁阻尼的原理。为了使指针摆动快速稳定下来，从而便于快速读出示数，磁电式电流表将线圈绕在闭合的铝框上，在闭合的铝框内产生感应电流，获得电磁阻尼力矩，以使线圈快速稳定在所示数值的位置。

电磁式仪表与磁电式仪表是两种不同类型的仪表。它们有很多不同之处，突出表现在性能、结构和表盘上。

（1）从表盘上就可区分开这两种仪表。除了图形符号不同外，磁电式电流表和电压表的刻度基本上是均匀的，而电磁系仪表的刻度则由密变疏。

（2）从性能上看，磁电式仪表反映的是通过它的电流的平均值，因此只能用其直接测量直流电流或电压；而电磁式仪表反映的是通过它的电流的有效值，因此，不加任何转换，电磁式仪表就可用于直流、交流，以至非正弦电流、电压的测量，但其测量灵敏度和精度都不及磁电式仪表高，而功耗却大于磁电式仪表。

（3）结构和工作原理的不同是两种仪表的根本区别。虽然它们都分为固定和可动两大部分，但其具体组成内容不同。

    磁电式仪表的固定部分是永久磁铁，用来产生均匀、恒定的磁场；可动部分的核心是一组线圈，被测电流流经线圈时，利用通电导线在磁场中受力的原理（即电动机原理），实现可动部分的转动。磁电式仪表的结构如图1.2所示。



图1.2 磁电式仪表的测量结构示意图

     电磁式仪表的固定部分是被测电流流经的线圈，有电流通过即可形成较强的磁场；可动部分的核心是一片可被及时磁化的软磁性材料（如铁片、坡莫合金等），利用被磁化的动铁片与通电线圈（或被磁化的静铁片）磁极之间的作用力，实现可动部分的偏转。

由于电磁式仪表构造简单、成本低廉，在电工测量中获得了广泛的应用，尤其是开关板式交流电流表、电压表，基本上都采用这种仪表。



图1.3 电磁式仪表的测量机构示意图

电磁式仪表的结构如图1.3所示，根据测量机构的结构形式不同，分为扁线圈吸引型和圆线圈排斥型两种。

磁电式电流表的工作原理
      用的电流表的构造如图1所示。在很强的蹄形磁铁的两极间有一个固定的圆柱形铁心，铁心外面套一个可以绕轴转动的铝框，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，被测电流就是经过这两个弹簧通入线圈的。



       蹄形磁铁和铁心间的磁场是均匀地辐向分布的（图2），不管通电线圈转到什么角度，它的平面都跟磁力线平行，因此磁场使线圈偏转的力偶矩M1不随偏角而改变。另一方面，线圈的偏转使弹簧扭紧或扭松，于是弹簧产生一个阻碍线圈偏转的力矩M2。线圈偏转的角度越大，弹簧的力矩M2也越大。到M1跟M2平衡时，线圈就停在某一偏角上，固定在转轴上的指针也转过同样的偏角，指到刻度盘的某一刻度。



    设电流表通电线圈的匝数为N，则线圈受到的力偶矩M1=NBIS。由于NBS为定值，所以M1跟电流强度I成正比。设k1=NBS，则M1=k1I。另一方面，弹簧产生的力矩M2跟偏角θ成正比，即M2=k2θ，其中k2是一个比例恒量。M1和M2平衡时，k1I=k2θ，即θ=kI，其中k=k1/k2也是一个恒量。可见，测量时指针偏转的角度跟电流强度成正比，这就是说，这种电流计的刻度是均匀的。

     这种利用永久磁铁来使通电线圈偏转的仪表叫做磁电式仪表。这种仪表的优点是刻度均匀，准确度高，灵敏度高，可以测出很弱的电流；缺点是价格较贵，对过载很敏感，如果通入的电流超过允许值，就很容易把它烧掉，使用时要特别注意。