实验6补偿法电势差计测电池电动势.doc

实验6 补偿原理和电势差计【目的与要求】1 理解并掌握电势差计测量电池电动势的原理和方法。2 学习箱式电势差计的使用。3 用箱式电势差计标定毫伏表。【原理】1.电势差计的补偿原理电势差计是一种利用电压补偿原理测量电源电动势或精确测量电势差的仪器。它的基本原理可由图42所示电路说明。Ex是待测电动势的电源，Eo是电压可调电源，调节Eo使检流计指针指零，此时，回路中两个电源（Eo和Ex）的电动势必然大小相等，这说明待测电池的电动势Ex已经被可调电源的电动势Eo所“补偿”。若Eo可准确知道，则Ex即可测出。可见，补偿原理测电动势需要有一个电源Eo，而且该电源应满足两项要求：（1）它的大小便于调节，使Eo能够“补偿”Ex；（2）它的电压很稳定，并能准确读出。在实际使用中Eo常用分压方式获取。2滑线电势差计测电动势如图43所示，AB是一根均匀金属电阻丝，E为工作电源，Ex和Es分别为待测电源和标准电源，K1为双刀双向开关，G为检流计。整个电路可分成两部分：AB以上部分称为工作回路，AB以下称为补偿回路。合上K，调节制流电阻Rp，使工作回路中有一定的工作电流Io，这样在AB两端就有一定均匀而稳定的电势差UAB=IoRAB。触点C可在AB上任意移动，当C处在AB上的不同位置时，由于RAC不同，则UAC也随之改变。当开关K1倒向Ex后，移动C到某一位置C使检流计G中无电流，此时被测电动势Ex与UAC相补偿，有Ex=UAC=IoRAC=IolAC/S=UolAC( 4 1 )式中，Uo为电阻丝上单位长度的电势差，lAC值可在电阻丝下的标尺中读出。若保持Io不变，将K1倒向Es，再移动C到某一位置C使电流计G中无电流，标准电动势Es与UAC相补偿，有Es= UAC=IoRAC=IolAC/S=UolAC ( 4 2 )由式（4-1）和式（4-2）可得Ex/Es= UAC/UAC= IoRAC/IoRAC= RAC/ RAC= lAC/lACEx=(lAC/lAC)Es ( 4 3 )综上所述，经过两次补偿，将待测Ex与标准Es比较后，对Ex的测量就转化为长度lAC与lAC的测量了。3箱式电势差计在实际使用中，将电势差计做成箱式的。在线路上也作了一些合理的改进，可直接读出待测电动势或电势差的数值。在图4-4中，图（a）,（b）是常用的UJ31型和UJ36型电势差计的面板。在图4-5中，图（a）,(b)是它们的电路原理示意图。（1）工作电流标准化由式（4-1）可知，欲使电势差计直接读出电势差值，而不是长度值，核心问题是使工作电流Io标准化。图45中（a）与(b)两电路的基本原理是相同的，它们与图4-3相比，差别在于对Es，Ex补偿时，由共用一根电阻丝改为分别用一个标准电阻Rs(或变阻器)和一个已知阻值的变阻器Rx来实现。图4-5电路可分为两大部分：下半部为工作回路，上半部为补偿回路。其中左边为校准回路，右边为测量回路。K合上，K1关向Es，调节Rp使G中无电流，则Es=IoRs, Io=Es/Rs式（4-4）中Es,Rs 都是准确的或选定的，工作回流中电流Io就能被精确地校准到所需要的值，这一步骤称为工作电流标准化。此时流经Rx的电流为标准电流，在Rx不同位置处输出的电势差IoRx也确定了，于是就可以将Rx不同位置处电阻的数值转换成电势差值直接标在刻度词盘上。（2）测Ex(或Ux)Io校准后，Rp不能再改变，立即将K1倒向Ex(或Ux)，调节Rx（即转动图4-4中的测量盘），使G中无电流，就直接可以测量盘所以在位置上读出待测Ex(或Ux)值。（3）标准电池温度补偿校准回路中的Es,为仪器外接的标准电池，这的电动势随温度有微小变化，而它标出的数值是20时的电动势，为修正温度变化引入的误差，在UJ31型电势差计面板上专门有一个温度补偿旋Rs，对应于电路中的是一个可变的标准电阻Rs。使用时，按标准电池温度修正公式，算出室温下的Ets，将面板上Rs旋钮转至Ets值，然后调节Rp使G中无电流，这样工作回路中的电流为测量读数盘刻度时的标准电电流。UJ31型电势差计上无此功能，所以相对而言，UJ31型精度比UJ36型高些。（4）电势差计的量程分压箱一般箱式电势差计的量程差不高，为毫伏数量级或最高不超过2V，当需要测量比量程大的电势差时，可用分压箱来扩大其量程。（见本实验附录4-1） （5）电势差计的误差及其表达式由式（4-3）可知Ex=RxEs/Rs根据相对误差关系可得Ex/Ex=Rx/Rx+Rs/Rs+Es/Es一般标准电池极为准确，不考虑其误差时Ex/Ex=Rx/Rx+Rs/Rs仪器的基本误差 （ 4 5 ）即由测量电阻Rx和调定用的标准电阻相对误差之和引起的被测电动势的误差，应小于或等于仪器的基本误差。电势差计基本误差表达式为=Ux(S%)+bU ( 4 6 )式中，S为准确度等级；Ux为测量测量盘值；U为测量盘最小步进值（或分度值）；b为附加误项系数，实验型电势差计一般取b=0.5。式（4-6）中第一项是随被测电势差Ux的大小而变化；第二项是恒定的，不随Ux的大小而变的。实际使用中，滑动接触装置往往是误差的主要来源。因为：滑触点的接触电阻会形成误差；滑触点移动时会产生温差电动势；滑线磨擦损耗也会产生误差，特别是经常使用的电势差计，这一项误差最大。所以电势差计要经常检验和校准，平时要注意保养。【仪器】滑线式电势差计、箱式电势差计、工作电源、标准电池、待测电池、检流计、变阻器、各开关。【实验内容与步骤】（实验内容可选做一个或两个）1.滑线式电势差计测电池电动势（1）电路连接按图4-3连接电路。在下半部分补偿回路中，开关K2的两端并联一只高电阻R，是在移动C调节检流计G中无电流时，起保护检流计的作用，但此时检流计的灵敏度软低，因此待调平衡后，再按下开关K2使R短路，以提高线路灵敏度，此时再仔细调节C使检流计G中无电流。(2)测量取Rp为一定值，利用两次补偿分别测出lAC与lAC，算出Ex，并按直接测量工作流程，确定重复测量次数。改变Rp值，再按上述步骤测Ex2.箱式电势差计使用（1）仪器的调整将各元件接在面板上相应位置。若为UJ36型，把旋钮K由“断开”处拔向“1”处，调节检流计零旋钮，使指针指零待用，若为UJ31型，把旋钮K3拔向“1”待用。（2）工作电流标准化若为UJ36型，把面板上K1拔向“标准”端，此时检流计指针偏离指零位置，调节Rp使指针回到指零处。工作电流即被校准到所需要的标准电流。若为UJ31型，先按标准电池温度修正公式，算出室温下的Ets，将面板上Rs旋到修正后的Ets值，将K1拔向“标准”，按下K2“粗”，检流计指针偏离指零，调节Rp1（粗）及Rp2（中）使指针指零后，放松K2“粗”，按K2“细”，再调节Rp3（细），使指针准指零点。工作电流被交准到所需的标准电流。（3）测量电池电动势若为UJ36型，在工作电流标准化后，立即将K1拔向“未知”，检流计偏离指零处，调节面板上大刻度盘Rx，使指针又回指零点，读下刻度盘所指示的值即为Ex，若超过11mV，应调节步进盘。Ux=(步进盘读数+大圆盘读数)倍率若为UJ31型，在工作电流标准化后，立即将K1拔向“未知”，检流计鹿茸离指零处，先后调节面板上，旋钮，使检流计指针回指零点。Ux=（盘读数1+盘读数0.1+盘读数0.001）倍率在调节检流计指零的过程中，要迅速在到目的，应采用“反向区逐次逼近”调节技术。（详见2.3.5小节）测量次数及测量结果与误差表示按直接测量工作流程图决定。其中仪器误差按式（4-6）计算。（4）对微安表头作电压标定（即将电流刻度标定为电压刻度）若要将微安表头作为毫伏表使用，必须对刻度重新标定。按图4-6接好电路，图中RB为保护电阻，以