试验六电位差计的应用

1、实验六电位差计的应用【实验目的】1. 掌握电位差计的工作原理和结构特点；2. 学习使用电位差计测电池电动势和电压的方法。【实验仪器】UJ-25型电位差计、检流计、标准电池、电阻箱、标准电阻、电池、单刀开关等。【实验原理】电位差计是用来测量电位差的仪器， 其精度高，在生产科研和计量等部门得到了 广泛应用。电位差计不仅用于测量直流电动势（电压），而且还常用于测电流、电阻和功率， 并还可通过转换器件用来测量非电量，如温度、压力、位移等。一、电位差计的电路原理如果要测未知电动势Ex,原则上可按图3-42安排电路，其中E0是可调电压 的电源。调节E0使检流计指零，这就表示在这个回路中两电源 （EO, E

2、x）的电动势必然是 方向相反、大小相等，故数值上有：Ex=EO这时，我们称电路达到补偿。在补偿条件下，若 E0的数值已知，贝U Ex即可求 出。据此原理制成的测量电动势或电位差的仪器称为电位差计。可见，电位差计需要有一个E0,而且它要满足两个要求：（1）它的大小应便于调节，以使E0能够和Ex补偿；（2）它的电压应该很稳定，并能读出准确的电压值。图 3-42图 3-43在实际的电位差计中，E0是通过下述方法（如图3-43）得到的：电源E、限 流电阻R和精密电阻Rab串联成一闭合回路，当有一恒定的标准电流10流过电阻Rab 时，改变Rab上两滑动头C, D的位置，就能改变C, D间的电位差VCd的

3、大小，VCd正比 于电阻Rab中C, D之间的那部分电阻值，由于测量时应保证 I0恒定不变，所以在实际的电位差计中都根据I0的大小把电阻的数值转换成电压刻度标在仪器 上, VCd相当于上面所需要的“ E0'。测量时把滑动头C, D两端的电压VCd引出与未知电动势Ex进行比较。ExCDGE）或EsC D GEs称为补偿回路。要注意的是在 电路中E和Ex（或Es）必须接成同极性相对抗，即Ex的负极要接在ab线上电位较 低的一点，而Ex的正极经检流计后，接在电位较高的一点。1. 校准 把开关K倒向Es一边，为了使Rab中流过的电流是标准电流I0 ,根据标准电池电动势Es的大小，选定C, D间

4、的电阻为Rs,调节R使：Es=I0 Rs（1）即调节R改变辅助回路中的电流，当检流计指零时，Rs上的电位降恰与补偿 回路标准电池的电动势Es相等，由于Es和Rs的数值都能很准确地知道，这样辅助回路 中的电流也就能被精确地校准为所需要的10值2. 测量 把开关K倒向Ex 一边，只要ExWIRab,总可以滑动C, D到C , D（如虚线所示），使检流计再度指零，这时 C，D间的电位降即和待测的电动 势Ex相等。设C，D之间的电阻为Rx,可得：Ex=I0 Rx=Rx- Es/Rs（2）I0已被校准，Ex也就被测出。同理，如果要测任一电路两点间的电位差，只 需将待测两点接入补偿回路来代替Ex即可。二、

5、电位差计的优缺点由式 可知，用电位差计测电位差的实质是通过电阻的比较把待测电压与标 准电池的电动势作比较，因而它具有下述优点：1. 准确度高（因为标准电池的电动势E s准确稳定、检流计灵敏度高，同 时，精密电阻Rab也可以做得很均匀准确），可作为标准器用来校电表。2. 测量范围广，可测小电压或电压的微小变化，学生式电位差计的低量程档 可测到10-6 V。3. “内阻”高，不影响待测电路。我们知道用电压表测量电位差时总要从被 测电路中分出一部分电流，从而改变了被测电路的工作状态，电压表的内阻越低，这种影响就越大。而用电位差计测量时，补偿回路中电流为零（当然不是绝对的，检流计灵敏度越高， 越接近于

6、零），故可测出电源电动势。但是，在电位计测量过程中，其工作条件常易发生变化 （如辅助回路电源E不稳定、限流 电阻R不稳定等)，为保证工作电流标准化，每次测量都必须经过校准和测量 两个基本步骤，且每次要达到补偿都要进行细致的调节，所以操作繁琐费时。近年来，数字式仪表有了很大发展，数字式电压表的内阻高(> 10Q )，准确度高，测量范围也广，而且操作方便，结果显示快，正在越来越多的场合代替电位差计而 成为测量电位和电动势的高精度仪器。三、标准电池由于电位差计的测量精度依赖于 Es,故Es一般由精度很高的标准电池提供。 常用的标准电池是镉汞电池，分为H 形封闭玻璃管式和单管式，前者只能正立使用

7、，且不能晃动或倒置。图3-44为H型标准电池示意图，其两极为汞和镉汞齐，正、负极引出 线都是铂丝，电解液为硫酸镉溶液，按溶液浓度H 型标准电池又可分为饱和式和不饱和式两种，饱和式的电动势最稳定，但其电动势易随温度变化，t °C时电动势Et为：Et =E20- 39.94 X 10-6 (t-20)- 0.929 X 10-6 (t-20) 2+0.0090 X 10-6(t-20) 3-0.00006 X 10-6 (t-20) 4 (V)图 3-44式中，E20=1.01863V为20C时电动势。不饱和式则不必作温度校正。本实验采用饱和式H型封闭玻璃管式标准电池。标准电池准确度分为

8、I ,U，川级。I,U级的最大容许电流为1卩A,内阻不大于1k Q;川级的最大容许电流为10卩A,内阻不大于600 Q 。可见，标准电池 只能作电动势的参考标准，绝不能作为电源使用，也不准直接用伏特计测量其电 压（为什么?）。在用电位差计时，若使用需做温度修正的标准电池，必须考虑温度修正。四、UJ25型高电势直流电位差计简介UJ25型电位差计的面板如图3-45所示。检流计G标准电池En和工作电源 不包含在电位差计中，皆为外接。电计控制按钮“粗、细、短路”为控制检流计用，按 下“精”或“细”按钮，检流计G方能接入电位差计。按下“粗”较按下“细”检流计呈现 的灵敏度低。“短路”按钮与检流计自身的“

9、短路”按钮作用相同。调节工作电流用的“粗、中、 细、微”四个旋钮的电阻相当于图 3-43中的R。标有“ N, XI, X2,断”的转 换开 关旋钮相当于图3-43中的K。校准时，旋钮指在“ N'位置，此时标准电池 En接入电位差计；测量时，旋钮指在“X1”（或“X 2”）时面板上方中间标有“未知 T （或“未知2”）的两接线柱之间的电位差被接入电位差计。通过“未知1”和“未知2”，电位差计可分别测量两个电位差。中间六个旋钮为电压测量盘，相当于图3-43中的Rx,各旋钮所对应的窗口标有电位差值，其总的电位差值为六个窗口示值之和。 另外，温度补偿旋钮实 为两可变电 阻，使用电位差计时，把两

10、旋钮旋在Et值，以补偿标准电池电动势Et随温度的变化。Et值可根据插入标准电池中的温度计读数和由实验室给出的Ett的修正值表计算，或用前面所给出的Et值的温度公式计算。【实验内容】用UJ25型电位差计校正毫安表。仪表在使用一段时间之后，都要对它的质量进行检查。按照国家规定，0.1 ,0.2 , 0.5 级电表每年至少要校检一次，其余等级的电表可根据使用情况决定校验周期，以看其是否符合电表上所标明的准确度级别，如果不符合就要降级使用。表的检验就是用被校表 与精度比它高级的表（简称标准表）分别对同一量进行测量，从而确定出被校表的误差。取标 准表测量结果作为被测量的标准值，则被校表的误差为：误差值=

11、被校表指示值-标准表的测量值此误差用相对于满刻度量限值的百分数表示：图3-45 UJ25的面板示意图及用其校毫安表的电路图慣差值| *丄宀日丄吐Xi。0% 炳刻度至限值若此值对于所有被校准点均小于被校表的级别，则认为该表符合要求，如有一点超过，贝U该表就应降级。本实验用电位差计校准毫安表。电位差计测量的是电压，而毫安表通过的是电 流，为此，让通过毫安表的电流同时通过一标准电阻， 用电位差计去测量标准电阻两端的电位 差，即可间接测量出流过毫安表中的电流，以此为标准值。此即用电位差计校准电流表的方 法。对仪表的校正结果还可用校正曲线表示。 作法是（如对本实验）：由待校表各个 指示值IX去减标准表对

12、应的指示值Is，得出各个修正值 I=Is-Ix ，作 IIX图线，即待校表的校正曲线（注意，Ix为横坐标， I为纵坐标，两相邻校准点用直线连接）。根据校正曲线，在使用电表时还可修正电表读数，得到更为准确的结果。【实验步骤】1. 电位差计使用前，首先将转换开关旋在“断”，将电计按钮全部松开。按图3-45接好电路，图中R0为标准电阻（四端电阻）。调检流计零位调整旋钮使检流计指零。 算出室温下标准电池的Et值，调节电位差计上的温度补偿旋钮使其指在 Et值。按下检流计 面板上的“电计”按钮并转动使之不弹起，此时检流计便已接入电位差计，可以完全由电 位差计控制。2. 校准，将转换开关旋钮白色指针由“断”

13、转至“ N'处，按下电计控制按 钮“粗”，调节“粗、中、细、微”旋钮使检流计 G指零，再按下电计控制按钮“细”，再调 至使 G指零，此时表明电位差计已被校准好。3. 根据校表要求，对待校毫安表进行校准。闭合K,调R,使待校表指示待校的刻度值，并估计接到“未知1”两接线柱的电位差值，调节测量盘使其接近此值。将测量转换旋钮转至XI,此时待测电压从“未知 T处接入，先按下电计控制 按钮“粗”，调测量盘使G指零，再按电计控制按钮“细”，再调至使 G指零，测量 盘上的读数即为待测电压值。注意，在每次测量之后，都要再将转换开关旋钮转至“N'处，检查电位差计是否处于校准好的状态（即按下电计控制钮“细