直流电位差计
课时:3学时
教材:《大学物理实验》第2版 天津大学出版社
简介:采用普通电压表直接测量电压时,测量误差主要来源于两个方面,即电压表本身的基本误差和测量方法造成的误差(电表内阻对被测电路的影响)。如果用比较法代替上述的直接测量法,即将待测电压与标准电动势进行比较以确定待测量,可以减小测量误差。直流电位差计测量电压就是属于这种方法,它的特点是测量精度高,但操作过程较繁琐。
实验重点:理解补偿原理,利用补偿原理测量电源电动势。
难点:仪器的使用,特别是检流计的使用。
教学目的:
1.掌握补偿法测量电压的原理。
2.掌握电位差计的工作原理和使用方法。
3.学会用电位差计测电源电动势及校准电压表等。
教学方法:教师讲解理论知识及仪器使用方法,由学生动手操作,得出正确数据并进行处理。
实验要求:1.课前预习,完成预习报告;
2.课堂独立完成实验内容,记录并处理数据;
3.课后根据数据完成实验报告,提出改进建议。
实验仪器:
甲电池、BC3型标准电池、UJ-25型直流电位差计、AC5/2型直流指针式检流计、滑线变阻器、电压表等。
实验原理:
1.电位差计原理
电位差计测量电压或电动势的原理是补偿法。在图1所示的电路中,移动滑线变阻器上滑动头的位置,可以找到一处使检流计中的电流为零,此时间的电压,即与互相补偿。若滑线变阻器间的电压分布事先加以标定(标度),则可求出。这种测量电压或电动势的方法称为补偿法。可见,要精确测量,必须要求上的电压标度稳定而且准确。为此,实用的电位差计在电源回路中接入一个可变电阻,如图2,称为工作电流调节电阻,E和串联后向分压器供电,若E值发生变化,则可调节,使加在分压器AB两端的电压保持不变,从而保证AB间的电压标度不变(稳定)。那么如何对AB间的电压进行标度呢?这就需借用一个精度更高、数值已知的标准电动势,将转换开关K推向,然后将分压器的滑动头调到标度值等于时的位置,此时若检流计有电流,应调节使电流为零。若检流计中没有电流,则说明电压与互相补偿,分压器上电压标度值未变。经这样校准后,电位差计就能按原定标度值进行测量了,这个过程称为电位差计的标准化(简称定标)。
2.UJ-25型直流电位差计
UJ-25型直流电位差计工作原理电路
图见图3。该电路由三个回路组成,即工作电流回路、校准回路和测量回路。
1)工作电流回路。由电源E、调节工作电流的电阻r、补偿标准电压EN的电阻RN和补偿待测电压Ex的电阻R组成。这一回路在校准和测量时,始终保持通路。2)校准回路。由标准电池EN、检流计G、补偿电阻RN和开关K组成。3)测量回路。由待测电压Ex、补偿电阻R、和G、K组成。
我们可以通过测量未知电动势Ex(或未知电压Ux)的两个操作步骤,了解电位差计的工作原理。
1.校准
将图3中的开关K合向1的位置,调节变阻器r,使检流计G的指示为零,此时,流过RN和R上的电流为I0,于是
EN=I0RN(1)
式中的I0称为电位差计的工作电流。RN的阻值已根据标准电池电动势的大小准确选定,从而保证了工作电流I0有准确的数值。
2.测量
将开关K合向2的位置,保持I0不变,调节滑动触头C,使检流计G的指示为零。滑动触头C在R位置上的阻值设为Rx,于是
Ex=I0Rx(2)
由式(1)和式(2)得
(3)
从式(3)可以看出,补偿法测电动势,其实质是将被测电动势与标准电动势相比较的方法。该方法有如下优点。1)不需要测量出电路中流过的电流I0的数值,只要测得Rx与RN的比值即可。2)测量结果的准确性依赖于标准电池电动势EN的准确性和被测电动势的补偿电阻RX与标准电池电动势的补偿电阻RN的比值的准确性。由于标准电池、Rx及RN电阻的制造精度都较高。加上应用高灵敏度的检流计,可使测量结果有很高的准确度。3)上述“校准”和“测量”两个步骤中,检流计的两次指示均为零,这表明测量时既不从校准回路内的标准电动势源(通常用标准电池)中吸取电流,也不从测量回路中吸取电流。因此,不改变回路的原有状态及电动势参量,亦可避免被测量回路导线电阻、标准电池内阻及被测回路等效内阻等对测量准确度的影响,这也是补偿法有利于提高测量准确度的原因。但是,在使用电位差计测量过程中,其工作条件常常发生变化(例如工作电源E、变阻器r)。为保证工作电流I0标准化,每次测量都必须进行校准、测量两个步骤,而且为了达到真正补偿,还必须进行精细的调节,因此操作很繁琐,这是补偿法测量的不足之处。
实验仪器使用说明:
1.UJ-25型直流电位差计简介
图4为直流电位差计的面板图。“—2.2伏、3.3伏”端钮供接入电位差计工作电源用。当工作电源电压≤2.2V时,工作电源联接在“—2.2伏”两端钮上;当工作电源电压在2.2伏与3.3伏之间时,工作电源联接在“—3.3伏”两端钮上。电位差计的工作电流为0.0001A。
“标准电池”两端钮供接标准电池用。
“未知l”、“未知2”两端钮供接入被测电动势(被测电压)用。“电计”两端钮供接入检流计用。“N”、“断”、“X1”、“断”、“X2”标记的转换开关供检流计选择“标准”、“未知1”、“未知2”之用。
“粗”、“细”、“短路”按钮用于接上检流计或检流计本身短路之用。按下“粗”,则检流计回路中便接入500k的保护电阻,以限制经过检流计电路的电流。
根据国家标准GB3927—83(和IEC523—1979标准相同)箱式电位差计的允许基本误差由下式计算
(4)
式中,Elim为电位差计的允许基本误差;UN为基准值,UX为测量盘示值;a为准确度等级。
允许基本误差公式中包括零电势和热电势。UN的定义与电桥的基准值的定义形式上相似。例如,若电位差计的有效量程是1.6V,则该量程的基准值为1.0V。
2.标准电池
标准电池是一种汞镉电池,常用的有H形封闭玻璃管式和单管式两种。H形标准电池内部的构造如图5所示。电池密封在H形的玻璃管内,两极分别为汞及镉汞合金,铂丝和两极接触,作为两电极引出线。汞上放有硫酸镉和硫酸亚汞的混合物,用作去极化剂。电池的电解液为硫酸镉溶液。按电解液的浓度又可分为饱和式标准电池和不饱和式标准电池两种。饱和式的电动势较为稳定,但随温度变化比较显著。若已知20℃时的电动势为E20,则t℃时的电动势按下式计算
(5)
不饱和式则不必作温度修正。
3.检流计用法:
A:检流计调整:
接通检流计电源。此时旋钮在表头保护位置,在未接入电路情况下,将旋钮旋转至调零,转动右侧的调零旋钮使检流计指零,再次旋转旋钮至补偿位置,再次转动调零旋钮使检流计指零,此时,检流计调整完毕,
B:测量:
将检流计接入电路,旋钮调整至非线性位置,此时,检流计会根据流经的电流大小,自动调整指针,在非线性档位调整回路使得检流计指零后,在依次将旋钮调整至1mA,300等合适档位。实验过程中,注意指针偏转在示数范围内。
实验内容:
1.用箱式电位差计测量甲电池的电动势
1)按仪器面板标志接线。注意极性必须与电位差计面板接线极性相同,不能接反。
2)测量前,首先将“标准”、“X1、“X2”、“断”转换开关放在“断”的位置上。考虑到标准电池电动势受温度影响而变化。要按照附录中的公式,计算出实验时标准电池的电动势;然后,将温度补偿旋钮调到与标准电池电动势的数值相同的位置上。将六个大旋钮调到甲电池的粗测端电压值的位置上。注意,进行上述调节时要松开左下方三个电计按钮,避免检流计受到过大的冲击。
3)调节工作电流。将“标准”、“未知”转换开关放在“标准”位置上,A:按下“粗”按钮,检流计旋钮调至“非线性”,调节仪器面板上的粗、中、细、微四个旋钮,使检流计指零。B:将检流计旋钮旋转至100nA,再次转动粗、中、细、微四个旋钮,使检流计指零。C:然后再按下“细”按钮,重复上述步骤,使检流计再次指零。此时工作电流就调整好了。对于UJ-25型直流电位差计来说,其工作电流是0.0001A(调节过程中,发现检流计受到冲击时,应迅速按下“短路”按钮)(此过程中,注意检流计量程选择)。
4)松开全部按钮,将转换开关放在“X”位置上,A:按下“粗”按钮,检流计旋钮调至“非线性”,按顺序调节六个大旋钮使检流计指零。B:将检流计旋钮旋转至100nA,再次转动六个大旋钮,使检流计指零。C:按下“细”按钮,重复上述步骤。使检流计再次指零。此时六个大旋钮各自显示出的数值总和就是被测电动势的数值。
5)重复测量三次取平均值,作为测量结果。将测量值和平均值填入自拟的表格中。
注意!每次测量未知电动势时,都应重新校准电位差计(以检查工作电流是否仍旧为0.0001A,即观察检流计是否指零)。
2.用箱式电位差计校准伏特表
1)按图6连接好电路。电源E由两节甲电池充当,伏特表选用0~1.5V挡。
2)调节伏特表的零点,然后调节变阻器,使伏特表的指示值Ux为0.300V,同时用电位差计测出与伏特表指示值相对应的电压值Us(方法与测量电动势相同),重复上述步骤,测量出Ux为0.600V、0.900V、1.200V、1.500V时相对应的Us值。将测量结果填入自拟的表格中。以Ux为横坐标,为纵坐标,作出校准曲线图。
实验数据及处理:
表1用箱式电位差计测量干电池的电动势
次数 |
1 |
2 |
3 |
Ex(V) |
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(V) |
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表2箱式电位差计校准伏特计
Ux(V) |
0.000 |
0.300 |
0.600 |
0.900 |
1.200 |
1.500 |
Us(mV) |
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ΔUx(mV) |
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注意事项:
1.标准电池是一种标准量具,决不允许短路或作一般电源使用!它允许通过的电流不宜超过1μA,否则影响标准电池的精度。电位差计中设置的保护电阻不仅是为了保护检流计,也是为了保护标准电池。因此在电位差计尚未接近补偿时,切不可将保护电阻置于细调(短路)位置。
2.标准电池只是电动势的参考标准,不能作为电源使用,不允许用伏特表测量其电压。要防止振动,不可倒置,不允许将两电极短路,应远离热源。
3.检流计使用前,应先调零,在使用时,注意选择合适档位,使用时应格外小心,避免指针偏出刻度,损坏检流计。
4.测量电池电动势时,应保证是在按下“细”旋钮的情况下。
思考题:
1.电位差计具有很高的准确度和灵敏度,与电路中的哪些元件关系密切?为什么?标准电池、检流计。标准电池电压如果不准,电位差计工作电流就无法达到0.001A,所测电动势也会存在误差。检流计灵敏度不够,测量结果灵敏度也无法保证。
2.如果实验中发现检流计总往一边偏,无法调到平衡,试分析可能有哪些原因?有可能是电源正负极接反,或正极接错位置。