關于電流的測量,相信大家并不陌生。早在初中物理實驗課上,老師就教我們使用電流表(如圖1)測量電路中的電流。測量的電流量程一般為0~0.6A和0~3A。由于電流表內阻很小,在測量電路電流時候,電流表是允許直接串聯在電路中間,也就是說電流表是不會影響到電路中的電流。 但是,這樣一來問題也就出來了,要是碰見那些待測電流非常大(超過電流量程)或者導體結構形狀不規則時候,電流表就會不允許串到電路中間的。那么又該有什么辦法可以解決這個難題呢?這個問題難不倒奇思妙想的科學家們。接下來我們就開始認識下另一種測量電流的工具—羅柯夫斯基線圈。
圖1 電流表圖片,量程為0~0.6A和0~3A。圖中顯示為1.6A。
1912年,W.Rogowski 等科學家利用電磁感應原理設計了一種測量電流的空心線圈,此線圈就用發明者名字命名。羅柯夫斯基線圈制作非常簡單,如圖2所示,就是一個纏繞在非磁性骨架上的空心螺線管,當待測電流變化時候,就會在螺線管中間產生封閉的變化磁場,變化的磁場穿過一層層線圈后,就會在線圈兩端感應出電壓,這個輸出電壓的大小與變化頻率就反應了待測電流的變化情況,將輸出信號通過數字積分器積分后就可以還原成待測電流值。這種線圈的優點在于測量的電流可從數毫安培到上萬安培,可以測量不規則導體結構物體,根據待測物體大小可以設計成長短不一、粗細不同的線圈。另外線圈不需要外加電源供電,也就是說是一件被動測量手段。
圖2 羅柯夫斯基線圈測量大電流示意圖
在磁約束聚變實驗中,羅柯夫斯基線圈已經得到了廣泛的應用。比方說,測量上百萬安培的等離子體電流就是利用這種空心螺線管。如圖3所示,在一根不銹鋼鋼管上,緊密地纏繞一層耐高溫線纜,然后將線圈安裝在電流通過的回路上,圖3白色物體就是一段羅柯夫斯基線圈,實際上線圈是環繞電流一圈的,剩下一部分未拍攝到。當電流從這根線圈中央穿過去后,線圈兩端就會感應出電壓,輸出電壓處理之后就是待測的等離子體電流了。所以說,只要從這個線圈內經過的電流都能完全的被測到。下面的子圖顯示的是實驗期間,等離子體電流的演化情況,電流變化范圍從0到最高的上百萬安培。這些線圈都是自己手工纏繞的,有興趣的話大家也可以在老師的帶領下動手試一試,感受下電磁感應的樂趣。
圖3 EAST裝置上用于測量等離子體電流的羅柯夫斯基線圈(上圖)及對應某次放電過程中所測電流值(下圖)。從圖中可看到電流變化范圍0kA~1000kA。

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