试验十一电位差计及其应用

1、 实验一 电位差计及其应用 【实验目的】 1. 了解电位差计的工作原理、结构、特点与操作方法。 2. 掌握用电位差计测电池的电动势的方法。 【实验仪器】 电位差计，标准电池、检流计、待测电池、直流稳压电源、导线假设干。 【实验原理】 一般用伏特表测电位差或电动势时，由于伏特表自身的内阻在电路中有分流 作用，往往产生较大的测量误差。而用电位差计测电位差或电动势时，却不存在 这个问题。 箱式电位差计是用来精确测量电池电动势或电位差的专门仪器。 它采用电位 比拟方法依据补偿原理进行测量，由于与之配合使用的标准电池电动势非常稳 定，用做检测电流的灵敏电流计灵敏度很高，加上箱式电位差计的电压比拟电路 精

2、确度较高，因此，它能精确地测量待测的电位差和电池的电动势。同时，因为 箱式电位差计精度很高，常用来校正电压表和电流表。 K 图8-1 电压补偿原理图 图8-2 电位差计原理简图 1. 电压补偿原理 图8-1为电压补偿原理图。在图 8-1中，Ex为被测未知电动势，E0为可以 调节的电源，G为检流计。在此回路中，假设 E0乒Ex,那么回路中一定有电流， 检流计指针偏转。调整 E0值，总可以使检流计 G指示零值，这就说明此时回路 中两电源的电动势必然是大小相等，方向相反，数值上有 Ex=E0,因而相互补偿 平衡。这种测电压或电动势的方法称为补偿法。电位差计就是应用这种补偿 原理设计而成的测量电动势或

3、电位差的仪器。 由上可见，构成电位差计需要有一个特定的可调电源 E0,而且要求它满足 两个条件：它的大小便于调节，使 E0能够和Ex补偿；它的电压很稳定，并 能读出精确的伏特值。 2. 电位差计原理 图8-2为电位差计原理图。电位差计应用的补偿原理，是用可调的电压 E0=IR0与被测电动势Ex相比拟，当检流计指示零时，两者相等从而获得测量结 果，如图8-2所示。由欧姆定律 U=IR可知，要想得到可调的电压 E0,可先 使电流I确定为一恒定的标准电流 I0,然后使I0流过电阻R,如果Ra的大 小可调并可知Ra是R在补偿回路 ExKGRa中的局部，贝U Ra两端的电压降 U 即为可调，有 U=I0

4、Ra,将Ra两端的电压 U引出，并与未知电动势 Ex进行 比拟，组成补偿回路，那么 U相当于上面所要求的“ E0。 在图8-2中，ERRsRp组成辅助回路，ExKGRa和EsRsGK各组成一个补偿 回路。 校准工作电流 辅助回路中的电流叫工作电流。 为使Ra中通过的电流是的标准电流 I0, 在图8-2中，使开关K倒向右端1,调节Rp改变辅助回路中的电流，当检流计 指示零时，Rs上的电压降恰与补偿回路中标准电池的电动势 Es相等，有Es=I0. Rs,，由于Es和Rs都是很准确的，所以这时辅助回路中的工作电流就被精确 地校准到所需要的I0值。 测量未知电动势 在图8-2中，把K倒向左端2,保持I

5、0不变，只要 Ex I0R,总可以滑动 Ra使检流计再度指示为零，此时可得 Ra Ex =IRa =Es三 Rs 可以从Ra示值上直接读出所测电动势 Ex值。 补偿法具有以下优点： 电位差计是一个电阻分压装置，其中被测电压 Ux和一标准电动势 Es 者接近于直接加以并列比拟。 Ux的值仅取决于电阻比 Ra/Rs及标准电动势 Es, 因而可能到达的测量准确度较高。 上述“校准和“测量两步骤中电流计两次均指零，说明测量时既不 从标准回路内的标准电动势源通常用标准电池中吸取电流，也不从测量的回 路中吸取电流。因此，不改变被测回路的原有状态及被测电压值等参量，同时可 防止测量回路导线电阻、标准电池内阻

6、及被测回路等效内阻等对测量准确度的影 响，这是补偿法测量的准确度较高的另一原因。 【实验内容】 (1) 由于测量时保证I0恒定不变，所以 Ex与Ra 对应。一般，箱式电位差计在 制造时，用可调节的标准电动势取代 Ex给Ra定标，在测量未知电动势 Ex时就 1. 测干电池的电动势 EX 在电位差计使用前首先将测量转换开关 K1放在“断的位置，检流计开关 K2放在“断的位置，然后按面板示意图(图 8-4)之接线端钮的极性，分别在 “标准上 接标准电势、“电计上接检流计、在“未知 1或“未知2上接 待测干电池。 在调节工作电流之前，应先考虑到标准电池的电动势受温度的影响，在 t?C 时标准电池的电动

7、势 EN可按下式计算，计算结果化整到 0.00005伏。 2 EN = E 20-0.0000406(t-20)-0.00000095( t-20) (2) 式中：EN为t?C时标准电势的电动势， E20取1.01860V , E温度。 计算后，把温度补偿器RNP指在与经过计算后的电动势 EN相同数值的位置。 将测量转换开关 K1指在“标准位置，检流计开关 K2指在“粗档，用变阻器 RP调节工作电流，使检流计指零，再将检流计开关 K2指到“中和“细，再 次调节工作电流，使检流计再次指零，此时工作电流已校准， RP不可再调。随 即将检流计开关 K2放在“断的位置，然后将测量转换开关 K1转至“未

8、知1 或“未知2的位置，即可进行测量待测电动势 EX。先予置测量回路的五个旋钮， 使其示值为被测电动势的估计值，接通检流计， (将检流计开关 K2顺势放在 “粗、“中、“细中逐次测量，以免过量电流冲击检流计而损坏)再仔细调 整。当测量值与被测电动势平衡时，那么检流计中无电流流过，即指零位。此时， 旋钮上指示的数字，即是待测电动势 EX的准确数值。 X 测定灵敏度S,记录 n = 5-10格时的 U值。 在测量过程中，应经常注意校对工作电流，在校对工作电流时，测量转换开 关K1应指在“标准位置。 2. 测量电阻Rx 测量电阻时，可按图 2.7.6的线路接线。为了减少测量误差，所选用标准电 阻RN的数值，尽可能接近被测电阻 RX的数值，利用变阻器 己调节被测电路中 的电流，使其小于电阻的额定负荷，利用测量转换开关 K/勺变换，分别测得标 准电阻RN上的电压降，U N和被测电阻上的电压降 U X ,按以下公式计算得： - U X R X=-RN UN 由于电阻测量采用两个电压降之比，因此，只要在电位差计工作电流不变的情况 下，可以不必用标准电池来校准电位差计的工作电流。在测量时，测量转换开关 心从“未知1转换到“未知 2时检流计开关 K2应放在“断的位置，防止 检流计受到冲击。