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磁电式电流表工作原理

2018年02月09日 14:29 次阅读

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。

磁电式电流表工作原理

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。

磁电式电流表工作原理

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。

磁电式电流表工作原理

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。

磁电式电流表工作原理

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。

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