再談多用電表表盤刻度

多用電表是高中物理實驗中要求學生必須熟練使用的儀器，它不但能測量電壓、電流和電阻，而且有的兼有其它功能，因而更是檢修工作中不可缺少的檢測工具。如果細心觀察表盤，還會發現很多值得我們研究的問題:直流電壓、電流刻度均勻;電阻刻度與眾不同，“0”刻線卻在表盤右邊，刻度由右向左先疏后密;而交流電壓刻度從左向右先密后均勻。(如圖1)當然表盤刻度的這種不同分布并非毫無依據，而是完全根據多用電表的測量原理來設計的。為了弄清這個問題，我們需要首先了解一下多用電表表頭的工作原理。

表頭是多用電表的核心部件，剖面圖如圖2，當處于磁場中的可動線圈通過電流后，其與永久磁鐵的磁場相互作用產生轉動力矩，從而使線圈帶動指針產生轉動，同時游絲產生反力矩，阻止線圈轉動，平衡時指針靜止，指出示數。因為線圈是置于圓弧型的磁極和由軟鐵做成的圓柱型鐵蕊之間的空隙中，因而空隙中的磁場是均勻的，并呈輻射狀。

造成表盤刻度不同分布的原因如下:

1.直流電壓、電流刻度

由電磁學的知識可知，表頭可動線圈通電流后產生轉動力矩:M=NBSI。

N:線圈匝數 B:空隙中的磁感應強度

S:線圈面積I:通過線圈的電流強度

若線圈帶動指針轉過的角度為α，則游絲形變產生的反力矩為:

Mf=Kα(K為游絲的彈性系數)。

二力矩平衡時:M=Mf。

即:NBSI=Kα。

所以偏轉角α=。

由于N，B，S，K均為定值，因此指針的偏轉角α與流動表頭的電流成線性關系，而流過表頭的電流又是經電阻分壓電路直接取樣于被測電路的，即表針偏轉角的大小又正比例地反映了被測電路電壓或電流的大小，因而在表盤上應按電壓、電流的大小進行均勻刻度。

2.電阻刻度

用多用電表電阻擋測電阻時，其原理步驟如圖3、4所示。

當紅黑表筆短接時，調節R得到滿偏電流值:

Ig=。

E:電池電動勢 R:調零電阻

R:電池內阻Rg:表頭內阻

當紅黑表筆接入電阻Rx時，得到測量電流值:

Ix=。

又知表針偏轉角:α=。

從而得到:α=。

其中NBSE，R+r+Rg均為定值。

上式表明，每個被測電阻Rx都有一個對應的指針偏轉角α，其函數關系如圖5，從圖中可以看出，指針偏轉角α與Rx并不呈線性關系，隨著被測電阻Rx的均勻增大，偏轉角并非均勻減小，而是開始時減小得快，而后減小得慢，最后無限趨近于零。這樣按偏轉角隨電阻的變化而變化的規律在表盤進行刻度時，是不均勻的。被測電阻為零，即紅黑表筆短接時，流經表頭的電流最大，指針偏轉角最大，故其電阻“0”刻線應在最右邊。當紅黑表筆斷開時，流經表頭的電流為零，指針偏轉角為零，指針位置刻度為歐姆刻度的無窮大處，且從“0”刻線開始向左刻度間隔應是先疏后密。

3.交流電壓刻度

由表頭工作原理可以看出，流過表頭線圈的電流必須是直流才能保證線圈帶動指針向一個方向偏轉，從而指示示數，因而在測交流電時必須利用二極管的單向導電性將電阻分壓電路取樣后得到的交流電(與所測的電壓成比例)變成直流電，再流過表頭線圈，如采用半波整流則可讓整流二極管與表頭線圈直接串聯。由二極管的伏安特性(圖6)可知，在正向特性的起始部分OA段(小于0.5V)，電流隨電壓的增加是緩慢的，此時的二極管呈現出一個大電阻，流過表頭線圈的電流很小，表針的偏轉角很小，所以表盤上的刻度間隔較密。隨著電壓的增加(大于0.5V)，電流隨電壓迅速上升。如AB段，電流和電壓的關系才基本上轉化為直線關系，同時二極管所呈現的電阻減小，表盤上的刻度才開始“近似”均勻分布。由此可知，交流電壓開始刻度的不均勻是由于二極管的伏安特性呈非線性而造成的。