磁電式電流表工作原理

磁電式電流表即為中學(xué)物理常用的測量閉合回路電流大小的儀器。當(dāng)電流通過線圈時，導(dǎo)線受到安培力的作用，線圈左右兩邊所受安培力的方向相反，安裝在軸上的線圈就會轉(zhuǎn)動。線圈中的電流方向改變時，安培力的方向隨著改變，指針的偏轉(zhuǎn)方向也隨著改變。根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向，可以知道被測電流的方向。

電流表由于蹄形磁鐵和鐵芯間的磁場是輻向均勻分布的，因此不管銅電線圈轉(zhuǎn)到什么角度，它的平面都跟磁感線平行。因此，磁力矩與線圈中電流成正比（與線圈位置無關(guān)）。當(dāng)銅電線圈轉(zhuǎn)動時，螺旋彈簧將被扭動，產(chǎn)生一個阻礙線圈轉(zhuǎn)動的阻力矩，其大小與線圈轉(zhuǎn)動的角度成正比，當(dāng)磁力矩與螺旋彈簧中的阻力矩相等時，線圈停止轉(zhuǎn)動，此時指針偏向的角度與電流成正比，故電流表的刻度是均勻的。當(dāng)線圈中的電流方向改變時，安培力的方向隨著改變，指針的偏轉(zhuǎn)方向也隨著改變，所以，根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向，可以知道被測電流的方向。

磁電式電流表的讀數(shù)是應(yīng)用了電磁阻尼的原理。為了使指針擺動快速穩(wěn)定下來，從而便于快速讀出示數(shù)，磁電式電流表將線圈繞在閉合的鋁框上，在閉合的鋁框內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，獲得電磁阻尼力矩，以使線圈快速穩(wěn)定在所示數(shù)值的位置。

電磁式儀表與磁電式儀表是兩種不同類型的儀表。它們有很多不同之處，突出表現(xiàn)在性能、結(jié)構(gòu)和表盤上。

（1）從表盤上就可區(qū)分開這兩種儀表。除了圖形符號不同外，磁電式電流表和電壓表的刻度基本上是均勻的，而電磁系儀表的刻度則由密變疏。

（2）從性能上看，磁電式儀表反映的是通過它的電流的平均值，因此只能用其直接測量直流電流或電壓；而電磁式儀表反映的是通過它的電流的有效值，因此，不加任何轉(zhuǎn)換，電磁式儀表就可用于直流、交流，以至非正弦電流、電壓的測量，但其測量靈敏度和精度都不及磁電式儀表高，而功耗卻大于磁電式儀表。

（3）結(jié)構(gòu)和工作原理的不同是兩種儀表的根本區(qū)別。雖然它們都分為固定和可動兩大部分，但其具體組成內(nèi)容不同。

磁電式儀表的固定部分是永久磁鐵，用來產(chǎn)生均勻、恒定的磁場；可動部分的核心是一組線圈，被測電流流經(jīng)線圈時，利用通電導(dǎo)線在磁場中受力的原理（即電動機(jī)原理），實現(xiàn)可動部分的轉(zhuǎn)動。磁電式儀表的結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。

圖1.2 磁電式儀表的測量結(jié)構(gòu)示意圖

電磁式儀表的固定部分是被測電流流經(jīng)的線圈，有電流通過即可形成較強(qiáng)的磁場；可動部分的核心是一片可被及時磁化的軟磁性材料（如鐵片、坡莫合金等），利用被磁化的動鐵片與通電線圈（或被磁化的靜鐵片）磁極之間的作用力，實現(xiàn)可動部分的偏轉(zhuǎn)。

由于電磁式儀表構(gòu)造簡單、成本低廉，在電工測量中獲得了廣泛的應(yīng)用，尤其是開關(guān)板式交流電流表、電壓表，基本上都采用這種儀表。

圖1.3 電磁式儀表的測量機(jī)構(gòu)示意圖

電磁式儀表的結(jié)構(gòu)如圖1.3所示，根據(jù)測量機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式不同，分為扁線圈吸引型和圓線圈排斥型兩種。

用的電流表的構(gòu)造如圖1所示。在很強(qiáng)的蹄形磁鐵的兩極間有一個固定的圓柱形鐵心，鐵心外面套一個可以繞軸轉(zhuǎn)動的鋁框，鋁框上繞有線圈，鋁框的轉(zhuǎn)軸上裝有兩個螺旋彈簧和一個指針。線圈的兩端分別接在這兩個螺旋彈簧上，被測電流就是經(jīng)過這兩個彈簧通入線圈的。

蹄形磁鐵和鐵心間的磁場是均勻地輻向分布的（圖2），不管通電線圈轉(zhuǎn)到什么角度，它的平面都跟磁力線平行，因此磁場使線圈偏轉(zhuǎn)的力偶矩M1不隨偏角而改變。另一方面，線圈的偏轉(zhuǎn)使彈簧扭緊或扭松，于是彈簧產(chǎn)生一個阻礙線圈偏轉(zhuǎn)的力矩M2。線圈偏轉(zhuǎn)的角度越大，彈簧的力矩M2也越大。到M1跟M2平衡時，線圈就停在某一偏角上，固定在轉(zhuǎn)軸上的指針也轉(zhuǎn)過同樣的偏角，指到刻度盤的某一刻度。

設(shè)電流表通電線圈的匝數(shù)為N，則線圈受到的力偶矩M1=NBIS。由于NBS為定值，所以M1跟電流強(qiáng)度I成正比。設(shè)k1=NBS，則M1=k1I。另一方面，彈簧產(chǎn)生的力矩M2跟偏角θ成正比，即M2=k2θ，其中k2是一個比例恒量。M1和M2平衡時，k1I=k2θ，即θ=kI，其中k=k1/k2也是一個恒量?？梢?，測量時指針偏轉(zhuǎn)的角度跟電流強(qiáng)度成正比，這就是說，這種電流計的刻度是均勻的。

這種利用永久磁鐵來使通電線圈偏轉(zhuǎn)的儀表叫做磁電式儀表。這種儀表的優(yōu)點是刻度均勻，準(zhǔn)確度高，靈敏度高，可以測出很弱的電流；缺點是價格較貴，對過載很敏感，如果通入的電流超過允許值，就很容易把它燒掉，使用時要特別注意。