實(shí)驗(yàn)六 電位差計(jì)的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)六電位差計(jì)的應(yīng)用【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹空莆针娢徊钣?jì)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；學(xué)習(xí)使用電位差計(jì)測電池電動(dòng)勢和電壓的方法。【實(shí)驗(yàn)儀器】UJ-25型電位差計(jì)、檢流計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)電池、電阻箱、標(biāo)準(zhǔn)電阻、電池、單刀開關(guān)等?！緦?shí)驗(yàn)原理】電位差計(jì)是用來測量電位差的儀器，其精度高，在生產(chǎn)科研和計(jì)量等部門得到了廣泛應(yīng)用。電位差計(jì)不僅用于測量直流電動(dòng)勢（電壓），而且還常用于測電流、電阻和功率，并還可通過轉(zhuǎn)換器件用來測量非電量，如溫度、壓力、位移等。一、電位差計(jì)的電路原理如果要測未知電動(dòng)勢Ex，原則上可按圖3-42安排電路，其中E0是可調(diào)電壓的電源。調(diào)節(jié)E0使檢流計(jì)指零，這就表示在這個(gè)回路中兩電源（E0,Ex）的電動(dòng)勢必然是方向相反、大小相等，故數(shù)值上有：Ex=E0這時(shí)，我們稱電路達(dá)到補(bǔ)償。在補(bǔ)償條件下，若E0的數(shù)值已知，則Ex即可求出。據(jù)此原理制成的測量電動(dòng)勢或電位差的儀器稱為電位差計(jì)?？梢姡娢徊钣?jì)需要有一個(gè)E0，而且它要滿足兩個(gè)要求：（1）它的大小應(yīng)便于調(diào)節(jié)，以使E0能夠和Ex補(bǔ)償；（2）它的電壓應(yīng)該很穩(wěn)定，并能讀出準(zhǔn)確的電壓值。圖3-42圖3-43在實(shí)際的電位差計(jì)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(dāng)有一恒定的標(biāo)準(zhǔn)電流I0流過電阻Rab時(shí)，改變Rab上兩滑動(dòng)頭C，D的位置，就能改變C，D間的電位差V的大小，V正比于電阻Rab中CDCDC，D之間的那部分電阻值，由于測量時(shí)應(yīng)保證I0恒定不變，所以在實(shí)際的電位差計(jì)中都根據(jù)I0的大小把電阻的數(shù)值轉(zhuǎn)換成電壓刻度標(biāo)在儀器上，VCD相當(dāng)于上面所需要的“E0”。測量時(shí)把滑動(dòng)頭C，D兩端的電壓VCD引出與未知電動(dòng)勢Ex進(jìn)行比較。ExCDGEx(或EsC'D'GEs)稱為補(bǔ)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(fù)極要接在ab線上電位較低的一點(diǎn)，而Ex的正極經(jīng)檢流計(jì)后，接在電位較高的一點(diǎn)。校準(zhǔn)把開關(guān)K倒向Es一邊，為了使Rab中流過的電流是標(biāo)準(zhǔn)電流10，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢Es的大小，選定C，D間的電阻為Rs，調(diào)節(jié)R'使：Es=I0?Rs(1)即調(diào)節(jié)R'改變輔助回路中的電流，當(dāng)檢流計(jì)指零時(shí)，Rs上的電位降恰與補(bǔ)償回路標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢Es相等，由于Es和Rs的數(shù)值都能很準(zhǔn)確地知道，這樣輔助回路中的電流也就能被精確地校準(zhǔn)為所需要的I0值。測量把開關(guān)K倒向Ex一邊，只要Ex^I0Rab，總可以滑動(dòng)C,D到C',Dz（如虛線所示），使檢流計(jì)再度指零，這時(shí)C',D'間的電位降即和待測的電動(dòng)勢Ex相等。設(shè)C'，D'之間的電阻為Rx，可得：Ex=I0?Rx=Rx?Es/Rs（2）I0已被校準(zhǔn)，Ex也就被測出。同理，如果要測任一電路兩點(diǎn)間的電位差，只需將待測兩點(diǎn)接入補(bǔ)償回路來代替Ex即可。二、電位差計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)由式⑵可知，用電位差計(jì)測電位差的實(shí)質(zhì)是通過電阻的比較把待測電壓與標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢作比較，因而它具有下述優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確度高（因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢Es準(zhǔn)確穩(wěn)定、檢流計(jì)靈敏度高，同時(shí)，精密電阻Rab也可以做得很均勻準(zhǔn)確），可作為標(biāo)準(zhǔn)器用來校電表。測量范圍廣，可測小電壓或電壓的微小變化，學(xué)生式電位差計(jì)的低量程檔可測到10-6V。“內(nèi)阻”高，不影響待測電路。我們知道用電壓表測量電位差時(shí)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(nèi)阻越低，這種影響就越大。而用電位差計(jì)測量時(shí)，補(bǔ)償回路中電流為零（當(dāng)然不是絕對的，檢流計(jì)靈敏度越高，越接近于零），故可測出電源電動(dòng)勢。但是，在電位計(jì)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(biāo)準(zhǔn)化，每次測量都必須經(jīng)過校準(zhǔn)和測量兩個(gè)基本步驟，且每次要達(dá)到補(bǔ)償都要進(jìn)行細(xì)致的調(diào)節(jié)，所以操作繁瑣費(fèi)時(shí)。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(nèi)阻高(>107。)，準(zhǔn)確度高，測量范圍也廣，而且操作方便，結(jié)果顯示快，正在越來越多的場合代替電位差計(jì)而成為測量電位和電動(dòng)勢的高精度儀器。三、標(biāo)準(zhǔn)電池由于電位差計(jì)的測量精度依賴于Es，故Es一般由精度很高的標(biāo)準(zhǔn)電池提供。常用的標(biāo)準(zhǔn)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，且不能晃動(dòng)或倒置。圖3-44為H型標(biāo)準(zhǔn)電池示意圖，其兩極為汞和鎘汞齊，正、負(fù)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(biāo)準(zhǔn)電池又可分為飽和式和不飽和式兩種，飽和式的電動(dòng)勢最穩(wěn)定，但其電動(dòng)勢易隨溫度變化，t°C時(shí)電動(dòng)勢Et為：Et=E-39.94X10-6(t-20)-0.929X10-6(t-20)220+0.0090X10-6(t-20)3-0.00006X10-6(t-20)4(V)圖3-44式中，E20=1.01863V為20C時(shí)電動(dòng)勢。不飽和式則不必作溫度校正。本實(shí)驗(yàn)采用飽和式H型封閉玻璃管式標(biāo)準(zhǔn)電池。標(biāo)準(zhǔn)電池準(zhǔn)確度分為1,11,111級(jí)。1,11級(jí)的最大容許電流為川A,內(nèi)阻不大于1k。；III級(jí)的最大容許電流為10pA,內(nèi)阻不大于600Q。可見，標(biāo)準(zhǔn)電池只能作電動(dòng)勢的參考標(biāo)準(zhǔn)，絕不能作為電源使用，也不準(zhǔn)直接用伏特計(jì)測量其電壓（為什么？）。在用電位差計(jì)時(shí)，若使用需做溫度修正的標(biāo)準(zhǔn)電池，必須考慮溫度修正。四、UJ25型高電勢直流電位差計(jì)簡介UJ25型電位差計(jì)的面板如圖3-45所示。檢流計(jì)G、標(biāo)準(zhǔn)電池En和工作電源不包含在電位差計(jì)中，皆為外接。電計(jì)控制按鈕“粗、細(xì)、短路”為控制檢流計(jì)用，按下“精”或“細(xì)”按鈕，檢流計(jì)G方能接入電位差計(jì)。按下“粗”較按下“細(xì)”檢流計(jì)呈現(xiàn)的靈敏度低?！岸搪贰卑粹o與檢流計(jì)自身的“短路”按鈕作用相同。調(diào)節(jié)工作電流用的“粗、中、細(xì)、微''四個(gè)旋鈕的電阻相當(dāng)于圖3-43中的R'。標(biāo)有“N,X1,X2,斷”的轉(zhuǎn)換開關(guān)旋鈕相當(dāng)于圖3-43中的K。校準(zhǔn)時(shí)，旋鈕指在“N”位置，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電池EN接入電位差計(jì)；測量時(shí)，旋鈕指在“X1”（或“X2”）時(shí)面板上方中間標(biāo)有“未知1”（或“未知2”）的兩接線柱之間的電位差被接入電位差計(jì)。通過“未知1”和“未知2”，電位差計(jì)可分別測量兩個(gè)電位差。中間六個(gè)旋鈕為電壓測量盤，相當(dāng)于圖3-43中的日乂，各旋鈕所對應(yīng)的窗口標(biāo)有電位差值，其總的電位差值為六個(gè)窗口示值之和。另外，溫度補(bǔ)償旋鈕實(shí)為兩可變電阻，使用電位差計(jì)時(shí)，把兩旋鈕旋在Et值，以補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢Et隨溫度的變化。Et值可根據(jù)插入標(biāo)準(zhǔn)電池中的溫度計(jì)讀數(shù)和由實(shí)驗(yàn)室給出的Et?t的修正值表計(jì)算，或用前面所給出的Et值的溫度公式計(jì)算?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容^^^^^^^^^^^^^^^^^用UJ25型電位差計(jì)校正毫安表。儀表在使用一段時(shí)間之后，都要對它的質(zhì)量進(jìn)行檢查。按照國家規(guī)定，0.1,0.2,0.5級(jí)電表每年至少要校檢一次，其余等級(jí)的電表可根據(jù)使用情況決定校驗(yàn)周期，以看其是否符合電表上所標(biāo)明的準(zhǔn)確度級(jí)別，如果不符合就要降級(jí)使用。表的檢驗(yàn)就是用被校表與精度比它高級(jí)的表（簡稱標(biāo)準(zhǔn)表）分別對同一量進(jìn)行測量，從而確定出被校表的誤差。取標(biāo)準(zhǔn)表測量結(jié)果作為被測量的標(biāo)準(zhǔn)值，則被校表的誤差為：誤差值二被校表指示值-標(biāo)準(zhǔn)表的測量值此誤差用相對于滿刻度量限值的百分?jǐn)?shù)表示：圖3-45UJ25的面板示意圖及用其校毫安表的電路圖|誤差值|一4,曰xlOO%漕刻度里限值若此值對于所有被校準(zhǔn)點(diǎn)均小于被校表的級(jí)別，則認(rèn)為該表符合要求，如有一點(diǎn)超過，則該表就應(yīng)降級(jí)。本實(shí)驗(yàn)用電位差計(jì)校準(zhǔn)毫安表。電位差計(jì)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(shí)通過一標(biāo)準(zhǔn)電阻，用電位差計(jì)去測量標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值。此即用電位差計(jì)校準(zhǔn)電流表的方法。對儀表的校正結(jié)果還可用校正曲線表示。作法是（如對本實(shí)驗(yàn)）：由待校表各個(gè)指示值Ix去減標(biāo)準(zhǔn)表對應(yīng)的指示值Is，得出各個(gè)修正值△I=Is-Ix，作△I?Ix圖線，即待校表的校正曲線（注意，Ix為橫坐標(biāo)，△I為縱坐標(biāo)，兩相鄰校準(zhǔn)點(diǎn)用直線連接）。根據(jù)校正曲線，在使用電表時(shí)還可修正電表讀數(shù)，得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)步驟電位差計(jì)使用前，首先將轉(zhuǎn)換開關(guān)旋在“斷”，將電計(jì)按鈕全部松開。按圖3-45接好電路，圖中R0為標(biāo)準(zhǔn)電阻（四端電阻）。調(diào)檢流計(jì)零位調(diào)整旋鈕使檢流計(jì)指零。算出室溫下標(biāo)準(zhǔn)電池的Et值，調(diào)節(jié)電位差計(jì)上的溫度補(bǔ)償旋鈕使其指在Et值。按下檢流計(jì)面板上的“電計(jì)”按鈕并轉(zhuǎn)動(dòng)使之不彈起，此時(shí)檢流計(jì)便已接入電位差計(jì)，可以完全由電位差計(jì)控制。校準(zhǔn)，將轉(zhuǎn)換開關(guān)旋鈕白色指針由“斷”轉(zhuǎn)至“N”處，按下電計(jì)控制按鈕“粗”，調(diào)節(jié)“粗、中、細(xì)、微”旋鈕使檢流計(jì)G指零，再按下電計(jì)控制按鈕“細(xì)”，再調(diào)全使G指零，此時(shí)表明電位差計(jì)已被校準(zhǔn)好。根據(jù)校表要求，對待校毫安表進(jìn)行校準(zhǔn)。閉合K,調(diào)R,使待校表指示待校的刻度值，并估計(jì)接到“未知1”兩接線柱的電位差值，調(diào)節(jié)測量盤使其接近此值。將測量轉(zhuǎn)換旋鈕轉(zhuǎn)至XI，此時(shí)待測電壓從“未知1”處接入，先按下電計(jì)控制按鈕“粗”，調(diào)測量盤使G指零，再按電計(jì)控制按鈕“細(xì)”，再調(diào)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(zhuǎn)換開關(guān)旋鈕轉(zhuǎn)至“N”處，檢查電位差計(jì)是否處于校準(zhǔn)好的狀