实验6 电位差计的原理和使用

1、实验6 电位差计的原理和使用 电位差计是测量电动势和电位差的主要仪器之一。用电位差计测量未知电动势，就是将未知电压与电位差计上的已知电压相比较。由于应用了补偿原理和比较测量实验方法，测量的结果仅仅依赖于准确度极高的标准电池、标准电阻以及高灵敏度的检流计，测量精度可高达005。它不仅被用来精确地测量电动势、电压、电流和电阻，而且还用来测量电量,如温度、压力、位移和速度等。在校准电表和直流电桥等直读式仪表上也有重要作用。电位差计的优点很多，但也有一些缺点，如测量过程比较烦琐，工作时间比较长，工作电流容易变化，易影响测量结果，因此每次使用都采用校准和测量两个步骤。【实验目的】1. 掌握电位差计的工作

2、原理、结构、特点和操作方法；2. 掌握用箱式电位差计测量电动势或电压的基本方法。【预习检测题】1. 用电位差计测量电动势有何优缺点？并与电压表的测量进行比较并说明。2. 什么叫补偿法？它有何优点？3. 在使用电位差计进行测量前，必须先对电位差计进行校准，为什么？【实验仪器】 十一线电位差计；标准电池；1#电池；检流计；箱式电位差计；稳压电源。【实验原理】一、补偿原理用电压表无法测量电源的电动势。如图 (a)所示的电路中，电压表所测的是电源的端图电压u(，r为电源的内阻，I为流过电源的电流)。仅在I=0时，端电压u才等于电动势Ex，但只要电压表与电源一并联接，I就不可能为零，故欲测电源电动势，应

3、采用其它的方法。电位差计是将待测电动势与标准电动势进行比较测量的仪器。它的基本原理如图 (b)所示。设为一连续可调的标准电源电动势，而为待测电动势。若调节，使流过检流计G中电流为零（即回路中电流I=0），则=。上述过程的实质是，不断地用已知的标准电动势与比较，直到检流计指示电路中电流为零时，说明二者已相等。电路呈这种状态，称为补偿状态。这种方法称为补偿法。二、电位差计的工作原理怎样才能获得连续可调的标准电动势，并如何与未知电动势进行比较呢？电位差计就是为达此目的而设计的一种测量仪器。1. 基本结构电位差计的基本线路如图 (a)(线式电位差计原理图)和4.19.2 (b)(箱式电位差计原理图)，

4、电位差计型号不同，但它们基本都由三个回路组成。下面就图4.19.2 (b)做详细分析。(a)线式电位差计原理图 (b) 箱式电位差计原理图图 (1)工作电流调节回路它由高稳定度的电源E、限流电阻、标准电阻以及开关组成。(2)校准回路由标准电池、检流计G、标准电阻以及开关和组成。(3)测量回路由待测电源 (或待测电位差)，标准电阻，检流计G，开关和组成。分析图(b)，平衡补偿在电位差计中是这样来实现的：利用工作电流回路上的压降与待测电动势 (或)进行比较，当改变的大小时，也随之变化，直到G指零时，即达到平衡补偿。这时=，为了便于测量，要求仪器工作电流I恒等于某一定值，则在不同的处，可直接标出它相

5、应的值。这样在测量时一达到平衡补偿即可直接读出待测电动势。因此，要使用电位差计，必须让工作电流调节到仪器所规定的数值，这步骤称为工作电流的校准(或标定)。2. 测量(1)工作电流的校准如图 (b)，利用标准电池(已知电动势为)校准仪器的工作电流：调节使，合上及，并将倒向S一边，则标准电池与工作回路并联。调节使检流计G示零(即校准回路电流为零)，此时电位差计达到平衡补偿，两端的电位差。工作电流I校准完毕，它数值上等于。(2)比较测量保持工作电流I不变（即保持、不变），把倒向X一边，调节Rx直至检流计G指零，此时测量回路达到平衡补偿状态。可从仪器上直接读出被测的（或）的值。【实验内容】 一、利用线

6、式电位差计测量干电池的电动势线式电位差计结构简单，电阻丝长1l米，往复绕在木板的十一个接线插孔0、1、2、10上，每两个插孔横向相邻间电阻丝长为1米。插头C可插入010中任一位置。电阻丝BO旁附有最小分度为毫米的米尺，接头D可在其上滑动，使得CD间的电阻丝长度可在011米间连续变化。为可变电阻，用来调节工作电流。双刀转换开关用来选择接通标准电池还是待测电池。电阻除用来保护标准电池和检流计外，还用来以提高测量的精度。1. 接线。接线时须断开所有开关，尤其要注意几个电源的正负极性，不可错接，调到最大值。2. 校准工作电流。首先选定电阻丝单位长度上的电压降A伏米，记下室温t，求出室温下的标准电池的电

7、动势 (t)伏，调节C、D两活动接头，使C、D间电阻丝长度为 （）例如，(t)=1.0186V，选定A=0.2000Vm，则=5.093m；接通，将倒向一边，调节，按一下滑动接头D，看检流计指针是否偏转，若偏转再重复该步骤，直到检流计的指针不再偏转。按下使保护电阻短路，再次微调Rp使检流计G的指针无偏转，此时电阻丝上每米的电压降为0.2000伏。记录(t)、A、及。3. 断开固定，即保持工作电流不变。将倒向一边，活动接头D移至米尺左边“0”刻线处，按下接头D，同时移动插头C，找出使检流计指针偏转方向改变的两相邻插孔，接通，将C插在数字较小的插孔上，然后向右移动接头D，在G的指针不偏转时记下CD

8、间电阻丝的长度。重复这一步骤三次，将相应实验数据记录。根据求出平均值及误差。4. 确定误差方法。由于检流计的灵敏度以及其它的原因，造成小于某一电流值时，检流计指针无法分辨有否电流，使得电阻丝上每米的电压降A存在误差A，它可通过以下方法确定，若测得G的指针开始向左偏转时CD间电阻丝的长度为L，开始向右偏时为L，记录下L与L，则厶AA二、UJ31型电位差计测电池的端电压在实际使用中，常将电位差计做成箱式的。在线路上作了一些合理改进，以便能直接读出待测电位差或电动势的数值。UJ3l型电位差计面板图及测量电路图如3.13-3(a)、(b)所示。 (a)UJ31型电位差计测量电路图 (b)UJ31型电位

9、差计原理图图1. 按图 (a)将外接的标准电池、检流计、工作电源和被测电动势(或电位差)按其极性与电位差计连接。2. 测量前先校正检流计零位，档选择合适的量程。再根据室温算出标准电池在该温度下的标准电动势，并依此将调至相应位置,置于标准位置。3. 校准工作电流：按下“粗”按钮，选调 (粗)，再调(中)，使G的指针无偏转。再按下“细”按钮，用来精确补偿至G无偏转，则电流得以校准(在此过程中，可利用“短路”按钮使摆动的检流计指针迅速静止)。4. 测量未知电动势(或电位差)：取=，见表中的五组数据，测出五组的值。保持不变，将置旋钮“未知1”或“未知2”，（根据自己接的位置定），依次调节测量转盘(即Rx)I、，使电位差计处于补偿状态。在调节中应先估计一下未知电动势(电位差)的大小，并把测量转盘I置于估计数值上，然后先按下“粗”钮大致补偿后，再按下“细”钮精确补偿之。使的值是三个读数盘的读数相加值与的倍率的乘积。注意：调节滑线读数盘时不允许逆时针旋过0mV处，也不允许顺时针旋过最大刻度处。5. 计算待测电池两端的电压，写出实验结果及误差