試驗六電位差計的應用

1、實驗六電位差計的應用【實驗目的】1. 掌握電位差計的工作原理和結構特點；2. 學習使用電位差計測電池電動勢和電壓的方法。【實驗儀器】UJ-25型電位差計、檢流計、標準電池、電阻箱、標準電阻、電池、單刀開關等?！緦嶒炘怼侩娢徊钣嬍怯脕頊y量電位差的儀器， 其精度高，在生產科研和計量等部門得到了 廣泛應用。電位差計不僅用于測量直流電動勢（電壓），而且還常用于測電流、電阻和功率， 并還可通過轉換器件用來測量非電量，如溫度、壓力、位移等。一、電位差計的電路原理如果要測未知電動勢Ex,原則上可按圖3-42安排電路，其中E0是可調電壓 的電源。調節(jié)E0使檢流計指零，這就表示在這個回路中兩電源 （EO, E

2、x）的電動勢必然是 方向相反、大小相等，故數(shù)值上有：Ex=EO這時，我們稱電路達到補償。在補償條件下，若 E0的數(shù)值已知，貝U Ex即可求 出。據(jù)此原理制成的測量電動勢或電位差的儀器稱為電位差計?？梢?，電位差計需要有一個E0,而且它要滿足兩個要求：（1）它的大小應便于調節(jié)，以使E0能夠和Ex補償；（2）它的電壓應該很穩(wěn)定，并能讀出準確的電壓值。圖 3-42圖 3-43在實際的電位差計中，E0是通過下述方法（如圖3-43）得到的：電源E、限 流電阻R和精密電阻Rab串聯(lián)成一閉合回路，當有一恒定的標準電流10流過電阻Rab 時，改變Rab上兩滑動頭C, D的位置，就能改變C, D間的電位差VCd的

3、大小，VCd正比 于電阻Rab中C, D之間的那部分電阻值，由于測量時應保證 I0恒定不變，所以在實際的電位差計中都根據(jù)I0的大小把電阻的數(shù)值轉換成電壓刻度標在儀器 上, VCd相當于上面所需要的“ E0'。測量時把滑動頭C, D兩端的電壓VCd引出與未知電動勢Ex進行比較。ExCDGE）或EsC D GEs稱為補償回路。要注意的是在 電路中E和Ex（或Es）必須接成同極性相對抗，即Ex的負極要接在ab線上電位較 低的一點，而Ex的正極經檢流計后，接在電位較高的一點。1. 校準 把開關K倒向Es一邊，為了使Rab中流過的電流是標準電流I0 ,根據(jù)標準電池電動勢Es的大小，選定C, D間

4、的電阻為Rs,調節(jié)R使：Es=I0 Rs（1）即調節(jié)R改變輔助回路中的電流，當檢流計指零時，Rs上的電位降恰與補償 回路標準電池的電動勢Es相等，由于Es和Rs的數(shù)值都能很準確地知道，這樣輔助回路 中的電流也就能被精確地校準為所需要的10值2. 測量 把開關K倒向Ex 一邊，只要ExWIRab,總可以滑動C, D到C , D（如虛線所示），使檢流計再度指零，這時 C，D間的電位降即和待測的電動 勢Ex相等。設C，D之間的電阻為Rx,可得：Ex=I0 Rx=Rx- Es/Rs（2）I0已被校準，Ex也就被測出。同理，如果要測任一電路兩點間的電位差，只 需將待測兩點接入補償回路來代替Ex即可。二、

5、電位差計的優(yōu)缺點由式 可知，用電位差計測電位差的實質是通過電阻的比較把待測電壓與標 準電池的電動勢作比較，因而它具有下述優(yōu)點：1. 準確度高（因為標準電池的電動勢E s準確穩(wěn)定、檢流計靈敏度高，同 時，精密電阻Rab也可以做得很均勻準確），可作為標準器用來校電表。2. 測量范圍廣，可測小電壓或電壓的微小變化，學生式電位差計的低量程檔 可測到10-6 V。3. “內阻”高，不影響待測電路。我們知道用電壓表測量電位差時總要從被 測電路中分出一部分電流，從而改變了被測電路的工作狀態(tài)，電壓表的內阻越低，這種影響就越大。而用電位差計測量時，補償回路中電流為零（當然不是絕對的，檢流計靈敏度越高， 越接近于

6、零），故可測出電源電動勢。但是，在電位計測量過程中，其工作條件常易發(fā)生變化 （如輔助回路電源E不穩(wěn)定、限流 電阻R不穩(wěn)定等)，為保證工作電流標準化，每次測量都必須經過校準和測量 兩個基本步驟，且每次要達到補償都要進行細致的調節(jié)，所以操作繁瑣費時。近年來，數(shù)字式儀表有了很大發(fā)展，數(shù)字式電壓表的內阻高(> 10Q )，準確度高，測量范圍也廣，而且操作方便，結果顯示快，正在越來越多的場合代替電位差計而 成為測量電位和電動勢的高精度儀器。三、標準電池由于電位差計的測量精度依賴于 Es,故Es一般由精度很高的標準電池提供。 常用的標準電池是鎘汞電池，分為H 形封閉玻璃管式和單管式，前者只能正立使用

7、，且不能晃動或倒置。圖3-44為H型標準電池示意圖，其兩極為汞和鎘汞齊，正、負極引出 線都是鉑絲，電解液為硫酸鎘溶液，按溶液濃度H 型標準電池又可分為飽和式和不飽和式兩種，飽和式的電動勢最穩(wěn)定，但其電動勢易隨溫度變化，t °C時電動勢Et為：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)圖 3-44式中，E20=1.01863V為20C時電動勢。不飽和式則不必作溫度校正。本實驗采用飽和式H型封閉玻璃管式標準電池。標準電池準確度分為

8、I ,U，川級。I,U級的最大容許電流為1卩A,內阻不大于1k Q;川級的最大容許電流為10卩A,內阻不大于600 Q 。可見，標準電池 只能作電動勢的參考標準，絕不能作為電源使用，也不準直接用伏特計測量其電 壓（為什么?）。在用電位差計時，若使用需做溫度修正的標準電池，必須考慮溫度修正。四、UJ25型高電勢直流電位差計簡介UJ25型電位差計的面板如圖3-45所示。檢流計G標準電池En和工作電源 不包含在電位差計中，皆為外接。電計控制按鈕“粗、細、短路”為控制檢流計用，按 下“精”或“細”按鈕，檢流計G方能接入電位差計。按下“粗”較按下“細”檢流計呈現(xiàn) 的靈敏度低?！岸搪贰卑粹o與檢流計自身的“

9、短路”按鈕作用相同。調節(jié)工作電流用的“粗、中、 細、微”四個旋鈕的電阻相當于圖 3-43中的R。標有“ N, XI, X2,斷”的轉 換開 關旋鈕相當于圖3-43中的K。校準時，旋鈕指在“ N'位置，此時標準電池 En接入電位差計；測量時，旋鈕指在“X1”（或“X 2”）時面板上方中間標有“未知 T （或“未知2”）的兩接線柱之間的電位差被接入電位差計。通過“未知1”和“未知2”，電位差計可分別測量兩個電位差。中間六個旋鈕為電壓測量盤，相當于圖3-43中的Rx,各旋鈕所對應的窗口標有電位差值，其總的電位差值為六個窗口示值之和。 另外，溫度補償旋鈕實 為兩可變電 阻，使用電位差計時，把兩

10、旋鈕旋在Et值，以補償標準電池電動勢Et隨溫度的變化。Et值可根據(jù)插入標準電池中的溫度計讀數(shù)和由實驗室給出的Ett的修正值表計算，或用前面所給出的Et值的溫度公式計算?！緦嶒瀮热荨坑肬J25型電位差計校正毫安表。儀表在使用一段時間之后，都要對它的質量進行檢查。按照國家規(guī)定，0.1 ,0.2 , 0.5 級電表每年至少要校檢一次，其余等級的電表可根據(jù)使用情況決定校驗周期，以看其是否符合電表上所標明的準確度級別，如果不符合就要降級使用。表的檢驗就是用被校表 與精度比它高級的表（簡稱標準表）分別對同一量進行測量，從而確定出被校表的誤差。取標 準表測量結果作為被測量的標準值，則被校表的誤差為：誤差值=

11、被校表指示值-標準表的測量值此誤差用相對于滿刻度量限值的百分數(shù)表示：圖3-45 UJ25的面板示意圖及用其校毫安表的電路圖慣差值| *丄宀日丄吐Xi。0% 炳刻度至限值若此值對于所有被校準點均小于被校表的級別，則認為該表符合要求，如有一點超過，貝U該表就應降級。本實驗用電位差計校準毫安表。電位差計測量的是電壓，而毫安表通過的是電 流，為此，讓通過毫安表的電流同時通過一標準電阻， 用電位差計去測量標準電阻兩端的電位 差，即可間接測量出流過毫安表中的電流，以此為標準值。此即用電位差計校準電流表的方 法。對儀表的校正結果還可用校正曲線表示。 作法是（如對本實驗）：由待校表各個 指示值IX去減標準表對

12、應的指示值Is，得出各個修正值 I=Is-Ix ，作 IIX圖線，即待校表的校正曲線（注意，Ix為橫坐標， I為縱坐標，兩相鄰校準點用直線連接）。根據(jù)校正曲線，在使用電表時還可修正電表讀數(shù)，得到更為準確的結果?！緦嶒灢襟E】1. 電位差計使用前，首先將轉換開關旋在“斷”，將電計按鈕全部松開。按圖3-45接好電路，圖中R0為標準電阻（四端電阻）。調檢流計零位調整旋鈕使檢流計指零。 算出室溫下標準電池的Et值，調節(jié)電位差計上的溫度補償旋鈕使其指在 Et值。按下檢流計 面板上的“電計”按鈕并轉動使之不彈起，此時檢流計便已接入電位差計，可以完全由電 位差計控制。2. 校準，將轉換開關旋鈕白色指針由“斷”

13、轉至“ N'處，按下電計控制按 鈕“粗”，調節(jié)“粗、中、細、微”旋鈕使檢流計 G指零，再按下電計控制按鈕“細”，再調 至使 G指零，此時表明電位差計已被校準好。3. 根據(jù)校表要求，對待校毫安表進行校準。閉合K,調R,使待校表指示待校的刻度值，并估計接到“未知1”兩接線柱的電位差值，調節(jié)測量盤使其接近此值。將測量轉換旋鈕轉至XI,此時待測電壓從“未知 T處接入，先按下電計控制 按鈕“粗”，調測量盤使G指零，再按電計控制按鈕“細”，再調至使 G指零，測量 盤上的讀數(shù)即為待測電壓值。注意，在每次測量之后，都要再將轉換開關旋鈕轉至“N'處，檢查電位差計是否處于校準好的狀態(tài)（即按下電計控制鈕“細