用补偿法测量电流电压和电阻

1、实验3-3用补偿法测量电压、电流和电阻电位差计是精密测量中应用最广的仪器之一，不但用来精确测量电动势、电压、电流和电阻等，还可用来校准精密电表和直流电桥等直读式仪表，在非电参量如温度、压力、位 移和速度等的电测法中也占有重要地位。【实验目的】1 .掌握补偿法原理，了解其优缺点。2 .掌握UJ-31型直流电位差计的原理、构造及使用方法。3 .学会用UJ-31型电位差计来校准微安表及测量其内阻。【仪器用具】滑线式电位差计一套、UJ-31型直流电位差计一台、 检流计一台、标准电池、工作电源、 待测电池、微安表头、直流电阻箱。【实验原理】电压的测量一般用伏特表来完成。由于电压表并联在测量电路中，电压表

2、有分流作用，会对原电路两端的电压产生影响，测量到的电压并不是原电路的电压。用电压表测量电源电动势时，由于电压表的引入，电源内部将有电流，而电源一般有内阻，内阻将有电压降，从 而电压表读数是电源的端电压，它小于电源的电动势。由此可知，要测量电动势，必须让它无电流输出。补偿法是电磁测量中一种常用的精密测量方法，它可以精确地测量电动势、电位差和低电阻，是学生会必须掌握的方法之一。滑线式电位差计、UJ-31型电位差计或学生型电位差计UJ-36等都是根据补偿法原理而设计的仪器。补偿的电路原理图如图3-3-1所示。由Ea、K、R限和R组成的回路称工作回路；由 Es或Ex与检流计G组成测量支路，与R仪器组成

3、测量回路。在 Ea>Es, Ea>Ex时，选择适当的 R艮，调节R的滑点，可使检流计 G中无电流流过。此时有 Vac Es。在R艮不变的情况下，降Es换成Ex,再调节R,假设调节到C位置使检流计无电流流过，则 VACEx。因此，有I RaC V AC I RAC' V AC' RacEsRaC'Ex即：Ex 乎 Es (3-3-1)RAC'测量支路中无电流流过，那么Es或Ex就是它们的电动势，由此可知电压补偿法测量电动势或电位差时比一般电表法更为准确。由图3-3-1可知，用补偿法测电动势时，需一个标准电池标准电动势作为标准比较。标准电池的电动势比较稳

4、定，精度比较高。图中 起调节工作电流的作用， 工作电流越大，分压电阻R上单位电阻上的电压降越大； 工作电流 越小，分压电阻上单位电阻上的电压降越小， 表示测量精度越高。 检流计G灵敏度越高，测 量精度越高。下面介绍两种常用的电位差计的基本原理。一、线式电位差计基本原理如图3-3-2所示，按通Ki后，有电流I通过电阻丝 AB,并在电阻丝上产生电压降 IR。 如果再接通K2,可能出现三种情况：1 .当Ex VCD时，G中有自右向左流动的电流指针偏向右侧。2 .当Ex VCD时，G中有自左向右流动的电流指针偏向左侧。3 .当Ex Vcd时，G中无电流，指针不偏转。将这种情形称为电位差计处于补偿状态，

5、 或者说待测电路得到了补偿。在补偿状态时，Ex IRCD。设每单位长度电阻丝的电阻为 r0, CD段电阻丝的长度为 ,于是(3-3-2)ExIr0Lx将保持可变电阻 Rn及稳压电源E输出电压不变，即保持工作电流 I不变，再用一个电 动势为Es的标准电池替换图中的 Ex,适当地将C、D的位置调至C'、D',同样可使检流 计G的指针不偏转，到达补偿状态。设这时 C 'D '段电阻丝的长度为 Ls ,则EsIRcd'叽将上两式比较得到3-3-3ExEstL s3-3-43-3-4式说明，待测电池的电动势 Ex 可用标准电池的电动势Es和在同一工作电流下电位差计

6、处于补偿状态时测得 的Lx和Ls值来确定。可见电位差计测 量的结果仅仅依赖于准确度极高的标准 电池、标准电阻或均匀电阻丝以及 高灵敏度的检流计，测量准确度可到达 0.01%或更高。二、UJ-31型电位差计基本原理图 3-3-2上图3-3-3是UJ31型电位差计的原理简图。UJ-31型电位差计是一种测量直流低电位差的仪器，量程分为 17mV最小分度1V,倍率开关 K旋至X 1和170mV最小分度10 wV,倍率开关旋到X 10两档。该电路共有 3个回路组成：工作回路校准回路测量 回路。(1)校准：为了得到一个已知的“标准”工作电流 I0=10mA。将开关S合向“标准”处，ES为标准电动势，取值范

7、围为1.01781.0190V , RN, RpN Q的电阻，对应“粗”“中” “细”三个旋钮，调节这三个电阻旋钮使检流计G指零，显然,EsI0 10.0000mA3-3-5Rn RpN(2)测量：将开关S合向“未知”测量处，Ex是未知待测电动势。保持I°=10mA ,调节Rx使检流计G指零，则有Ex IoRx3-3-6被测电压Ex与补偿电压极性相反、大小相等，因而相互补偿平衡。这种测量未知电压的方式叫“补偿法”。补偿法具有以下优点：电位差计是一电阻分压装置，它将被测电压UX和一标准电动势接近于直接加以并列比较。Ux的值仅取决于电阻比及标准电动势，因而能够到达较高的测量准确度。上述“

8、校准”和“测量”两步骤中，检流计两次均指零，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也不从测量回路中吸取电流。因此，不改变被测 回路的原有状态及电压等参量，同时可防止测量回路导线电阻，标准电阻的内阻及被测回路等效内阻等对测量准确度的影响，这是补偿法测量准确度较高的另一个原因。【实验内容】一、用滑线式电位差计测量电池的电动势1 .按图3-3-5接好线路，A B两端为11线电阻丝的两端， 即将11线电阻丝全部串联 在工作回路中，将限流电阻Rn调至40 左右。2 .接通K,工作回路有电流流过，工作电路的电流大小由工作电源E、11m电阻丝的电阻以及Rn决定。E及11m电阻丝是选定了的

9、，主要靠调节Rn控制工作电流；工作电源E的电动势要大于标准电池或待测电池的电动势。3 .将七倒向标准电池 Es一侧，插头 C选在67m段电阻丝插孔，D在米尺电阻丝上滑动，有米尺读数，找出平衡点，读出平衡时DSCS电阻丝的长度LS,记录下来。4 .将K2倒向待测电池 Ex方向，选定插头 C的位置，调节滑动头 D,找出平衡点，读 取平衡时电阻丝 DxCx的长度Lx，记录于表中。5 .由公式3-3-4计算待测电池电动势。6 .如果要测量甲电池的内阻，如何测量？二、用UJ-31型电位差计校准微安表和测量其内阻1 .按图3-3-4接好线路。图中， EN为标准电池，G为检流计，E为工作电源要求其工作电压在

10、5.76.4V范围内，Ex为待测电路的电源；R为降压电阻箱，RS 为标准电阻100 Q。2 . UJ-31的校准(1) 将UJ-31上的操作开关 K2置“断”位置。先调好检流计光点为零，选择光电 检流计为X0.01档。(2) 根据当时温度计算标准电池的电动势，将温度补偿盘Rn置于此值。(3) 将K2调至“标准”，量程变换开关 Ki调至X10档。(4) 跃接电键“粗”按钮，调节工作电流调节电阻 Rp1粗、Rp2中、Rp3细，pp Up"使检流计指示为零。检流计如指示摆动太大太快，应立即松开按钮、并注意使用“短路”按钮，以保护检流计。(5) 逐步将检流计换为 X0.1档，X1档，重复4的

11、步骤。(6) 最好按“细”按钮，检流计放在X1档，调节粗、中、细电阻调节旋钮使检流计指示为零，表示已校准好 UJ-31 ,即工作电流已校准为 10.0000mA。1温度补偿盘 Rn不动，电流调节电阻 Rp1粗、Rp2中、Rp3细不动, 将Ki调到X1档，e调到“未知1”检流计调到X0.01档，按“粗”按钮，调节电 阻盘I、II、III ,使检流计指示为零。（2 ）逐步将检流计换成X0.1、X1档，调节I、II、III使检流计指示为零。3按“细”按钮，在检流计X1档时，调节I、II、III使检流计指示为零。记下此时I、II、III的读数。从而得到：Y耒知（I 1 II 0.1 III 0.001

12、 K（mV）4将K2拨到“未知2"，K拨到X10档，按测未知1的方法测出未知2。然后根据公式丫出红2得出微安表的内阻 Ra。RsRa5依次将微安表电流调至 100 g, 80 g, 60 g, 40 pA, 20 g,校准微安表，列表记录。【数据处理】-、用滑线式电位差计测量电池的电动势测量次数电阻丝长度LS电阻丝长度Lx待测电动势ExEx123456、用UJ-31型电位差计校准微安表和测量其内阻微安表 读数4V未知1通过微安表的实 际电流4差值10080604020【预习思考】1 .为什么用电位差计可直接测电源的电动势？能否用伏特表测电动势？假设可测，写出测量方法。2 .检流计始终

13、无偏转可能是什么原因？3 .滑线式电位差计对测量范围有何限制？4 .使用光电式检流计要注意什么事项？5 .标准电阻应如何接入到电路中？【习题】1 .如果电阻丝的电阻每米5Q, E=3V,标准电池 Es=1V,待测电池 Ex=1.5V左右，限流电阻Rn如何取值？2 .无论如何滑动滑线电位差计上的滑动头C,检流计始终朝一个方向偏转，可能是何原因？3 .如果工作电源的电动势E比待测电池电动势 Ex小，能否做实验？为什么？4 .能否用UJ-31型电位差计来直接测量甲电池的电动势？为什么？5 .在校准UJ-31电位差计的过程中，尽管电流调节电阻RpN从最大值调到最小值，却仍然找不到平衡状态。试问：此故障

14、有哪三种可能的原因？【附录】1 .十一线式电位差计卜一线式电位差计具有结构简单、直观、便于分析讨论等优点，其结构如图3-3-2所示。电阻丝AB长，往复绕在有机 玻璃板的11个接线插柱上，每相邻 两个接线柱间电阻丝有效长度为。插头C可连接在0,110中任一个位 置。电阻丝BO旁边附有带毫米刻度 的米尺，触头D在它上面滑动。CD 间的电阻丝长度可在 m间连续变化。Rn为可变电阻箱，用来调节工作电流。转换开关 K2用来选择接通标准 电池Es或待测电池Exo滑线变阻器R滑是用来保护标准电池和检流计的，在电位差计未处于补偿状态时， 必须调到最大，在电位差计处于补偿图 3-3-5状态进行读数时，应调到最小

15、，以提高测量的灵敏度。2 . UJ-31型低电势直流电位差计A. UJ-31型低电势直流电位差计面板分布图 3-3-61 .五组接线端钮标准、检流计、工作电源接入端、未知 1、未知2；2 .标准电池电动势的温度补偿盘Rn ；3 -工作电流调节电阻盘 RpN 分为Rpi、Rp2、Rp3；4 .测量调节电阻盘I、n、出，其中第m盘带有防1标尺 A ;5 .电位差计量程变换开关Ki ；6 .标准回路和测量回路的转换开关K2 ；7 .电键按钮“粗”、丝田”、“短路”。UJ-31型电位差计使用的电源是 5.7 V的直流电源，其工作电流为10mA .它的三个工 作电流调节盘中， 第一个盘Rp1是16点步进

16、的转换开关， 第二盘Rp2和第三盘Rp3 均为滑线盘。标准电池电动势温度补偿盘 Rn的补偿范围为1.0180 6V。该仪器有两个测量端，通过转换开关 K2可接通“未知1”或“未知2”或“标准电池”。 在它的三个测量调节电阻盘中，第I 测量盘是16点步进转换式开关，第H 测量盘是10点步 进转换式开关，第出 测量盘是滑线盘；测量盘的电阻值已转换成电压刻度标在了仪器面板 上。该仪器的量程变换开关 K1有两档：在“ x1”档，测量范围是 0mV,测量盘的最小 分度值为1因，游标尺的分度值为 因；在“ x 10”档，测量范围是 0171mV,测量盘的 最小分度值为10 V ,游标尺的分度值为 1阳。8

17、. UJ-31型低电势直流电位差计内部结构图R,期 Q J即 & a4.25Q "a.R?N12x00Ifi 盟叫二雪_! LgW皿ci-imnloxin1250 fl 101工9白 120cxi r - * 67.9RicxinI XI mV IT xe.l mV Ixo.oci mVlek xo.oan-i. in图 3-3-73.AC15/4型直流复射式检流计因线圈的金属悬丝很细、它是一种磁电式高灵敏度仪表，采用光点复射式光标多次 反射再投射到刻度尺上读数，故又叫光点检流计。其分度值约 5X10 9 A/分度，用来测量微小电流 10-710T A或微小电 压10 5 -

18、 10 7 V，如光电流、生物电流及温差电动势等，也 常作为电桥和电位差计的零指示器，以提高测量的准确度。仪器 面板如下图。使用方法及注意事项：A .移动检流计或使用完毕时，分流器”均应置于 短路”档;易断，切忌摇晃、震动，操作时动作一定要轻。B.供电有交流220V和直流6V两种方式，实验室接 220V电源，不得插错；面板 电 源”开关扳向所选择的供电方式；一般电流由午”流入检流计时，光标向右偏。C.使用前要调零：先调节 零点调节”，使光标中线指在中间 “此右，然后移动标尺上 的金属小柱使光标精确指“0：D.找不到光点时，可将 分流器”旋钮旋至 直接"；当光标摆动不停时，可旋向 短路”, 使检流计受到阻尼而停止摆动。E.分流器”选择旋钮“X 0.01 ”“x 0、1 ”“X 1；其中“X为灵敏度最高档，使用时，可先 选最低档，调节后再换高灵敏档。4. 标准电池标准电池是一种用来作电动势标准的原电池。由于内电阻高，在充放电情况下会极化，不能用它来供电。当温度恒定时，它白电动势稳定。在不同温度040C时标准电池的电动势