箱式电位差计[1].doc

实验八 箱式电位差计【实验目的】 1了解箱式电位差计的结构和补偿原理。 2学会用箱式电位差计测电动势。【实验原理】 一般用伏特表测电位差或电动势时，由于伏特表自身的内阻在电路中有分流作用，往往产生较大的测量误差。而用电位差计测电位差或电动势时，却不存在这个问题。 箱式电位差计是用来精确测量电池电动势或电位差的专门仪器。它采用电位比较方法依据补偿原理进行测量，由于与之配合使用的标准电池电动势非常稳定，用做检测电流的灵敏电流计灵敏度很高，加上箱式电位差计的电压比较电路精确度较高，因此，它能精确地测量待测的电位差和电池的电动势。同时，因为箱式电位差计精度很高，常用来校正电压表和电流表。图8-1 电压补偿原理图 图8-2 电位差计原理简图 1电压补偿原理 图8-1为电压补偿原理图。在图8-1中，Ex为被测未知电动势，E0为可以调节的已知电源，G为检流计。在此回路中，若E0Ex，则回路中一定有电流，检流计指针偏转。调整E0值，总可以使检流计G指示零值，这就说明此时回路中两电源的电动势必然是大小相等，方向相反，数值上有Ex=E0，因而相互补偿（平衡）。这种测电压或电动势的方法称为补偿法。电位差计就是应用这种补偿原理设计而成的测量电动势或电位差的仪器。 由上可见，构成电位差计需要有一个特定的可调电源E0，而且要求它满足两个条件：它的大小便于调节，使E0能够和Ex补偿；它的电压很稳定，并能读出精确的伏特值。 2电位差计原理 图8-2为电位差计原理图。电位差计应用的补偿原理，是用可调的已知电压E0=IR0与被测电动势Ex相比较，当检流计指示零时，两者相等从而获得测量结果，如图8-2所示。由欧姆定律U=IR可知，要想得到可调的已知电压E0，可先使电流I确定为一恒定的已知标准电流I0，然后使I0流过电阻R，如果Ra的大小可调并可知（Ra是R在补偿回路ExKGRa中的部分），则Ra两端的电压降U即为可调已知，有U=I0Ra，将Ra两端的电压U引出，并与未知电动势Ex进行比较，组成补偿回路，则U相当于上面所要求的“E0”。 在图8-2中，ERRsRp组成辅助回路，ExKGRa和EsRsGK各组成一个补偿回路。 校准工作电流 辅助回路中的电流叫工作电流。为使Ra中通过的电流是已知的标准电流I0，在图8-2中，使开关K倒向右端1，调节Rp改变辅助回路中的电流，当检流计指示零时，Rs上的电压降恰与补偿回路中标准电池的电动势Es相等，有Es=I0. Rs，由于Es和Rs都是很准确的，所以这时辅助回路中的工作电流就被精确地校准到所需要的I0值。图8-3 UJ-31型电位差计面板示意图 测量未知电动势 在图8-2中，把K倒向左端2，保持I0不变，只要ExI0R，总可以滑动Ra使检流计再度指示为零，此时可得由于测量时保证I0恒定不变，所以Ex与Ra一一对应。一般，箱式电位差计在制造时，用可调节的标准电动势取代Ex给Ra定标，在测量未知电动势Ex时就可以从Ra示值上直接读出所测电动势Ex值。 补偿法具有以下优点： 电位差计是一个电阻分压装置，其中被测电压Ux和一标准电动势Es二者接近于直接加以并列比较。Ux的值仅取决于电阻比Ra/Rs及标准电动势Es，因而可能达到的测量准确度较高。 上述“校准”和“测量”两步骤中电流计两次均指零，表明测量时既不从标准回路内的标准电动势源（通常用标准电池）中吸取电流，也不从测量的回路中吸取电流。因此，不改变被测回路的原有状态及被测电压值等参量，同时可避免测量回路导线电阻、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，这是补偿法测量的准确度较高的另一原因。【实验仪器】电位差计，标准电池，直流稳压电源，检流计，硅光电池，灯泡，导线等。G灵敏检流计；EN标准电池；E6V左右的电源；EX未知电源图8-4 用UJ-31型电位差计测量电源电动势Ex 本实验所用电位差计为UJ-31型低电势直流电位差计，图8-3是UJ-31型电位差计的面板示意图。图8-4是用电位差计测电源电动势的原理图，图中虚线框内是UJ-31型电位差计的原理简图，详图见附录中附图1。UJ-31型电位差计是一种测量低电位差的仪器，分为量程17mV（最小分度1V，倍率开关P旋到1）和量程170mV（最小分度10V，倍率开关P旋到10）两档。图8-3面板示意图上方的五对接线端钮从左到右依次接入标准电池、检流计、5.7V6.4V直流电源和待测的两组未知电压（未知1和未知2）。面板上各旋钮、开关及调节盘的名称、作用及操作注意事项见表8-1。表8-1 UJ-31型电位差计的面板及操作注意事项图9-3中标记及名称图-的标记作用、特点及操作注意事项S：操作步骤选择开关S 进行“校准”时S旋至“标准”位置，“测量”时旋至“未知1”或“未知2”位置，不用时旋至“断”位置校准RN：温度补偿盘RN “校准”前根据室温查出当时的标准电池电动势EN，将RN盘旋至对应位置，该盘已直接按电池电动势值标注。RN的电阻值=EN/0.010 000r1、r2、r3：电流调节盘r1、r2、r3 “校准”时旋转面板上三个粗、中、细调节盘，使检流计指零，这时I0=10.000mA测量P：倍率选择开关图中未画出 “测量”前根据被测电压的约值预先选定，让最大的一位测量盘用上。未知电压=测量盘读数倍率（有1或10两档）、：测量盘Rx 测量未知电压用的粗、中、细调节盘，已按倍率为1时的电压值标定分度，可直接读数粗、细、短路：电流计按钮开关粗、细、短路 进行“校准”或“测量”的操作时，应先按“粗”按钮，这时检流计回路串联有10k电阻，经调节待测检流计几乎指零后再按下“细”按钮继续调节，直至指零。按下“短路”按钮时，检流计被短路，检流计光标或指针能很快停住。当光标或指针左右摆动，长久不停时可用它，一般不用图8-5 标准电池结构图 UJ-31型电位差计的准确度等级为0.05，在环境温度与20相差不大等条件下，其基本误差限Ux为 Ux=（0.05%Ux+U）=B （8-1）式中的U当倍率为10时取5V，当倍率为1时取0.5V。 2标准电池 本实验采用饱和标准电池（电解液为饱和硫酸镉溶液）（见图8-5）作标准电动势源。 标准电池20时的电动势为EN（20），可求得0t40时的电动势为EN（t）=EN（20）-39.9（t-20）+0.94（t-20）2-0.009（t-20）210-6上式中单位为V。使用标准电池应注意以下几点：根据使用时的室温算出或查出当时的电动势值（实验室有算好的表格可查见表8-2）；存放地点温度波动要小，远离热源，并避免强光直接照射到电池上；正负极不能接错，严禁短路，流经电池的电流应小于10A；轻拿轻放，不得振动和倒置。表9-2温度/标准电池ES/V温度/标准电池ES/V101.018 91201.018 60111.018 89211.018 56121.018 86221.018 52131.018 84231.018 47141.018 81241.018 42151.018 78251.018 37161.018 75261.018 32171.018 71271.018 27181.018 68281.018 21191.018 64291.018 16【实验步骤】 1测量前的准备工作 线路没有接通前，先将操作步骤选择S转到“断”的位置，并将面板左下角“粗”、“细”按钮松开，将倍率选择开关P按测量需要指标在“10”或“1”的位置上。 因为标准电池的电动势随温度也有微小的变化，所以应按照实验室温度计示值，参照参考资料，把温度补偿器RN转到所查得的数值位置上。 按图8-3上分布的接线柱的极性，按图8-4分别接上“辅助电源”（辅助电源E值电压范围是5.7V6.4V）、“标准电池”、“检流计”及测量导线。 2校准工作电流 将操作步骤选择开关S转到“标准”位置，将图8-3中左下角的电键按钮“粗”按下，用变阻器r1、r2、r3（或称工作电流调节器），按粗、中、细顺序校准工作电流，使检流计指示到零位置，再将图8-3中左下角电键按钮“细”按下，进一步调节r2、r3使检流计重新指示到零位置，这时工作电流校准完毕。 3测量未知电动势Ex 工作电流校准完毕后，将硅光电池箱中的灯泡接通电源，电池两端接“未知1”或“未知2”的位置，将S转到对应的“未知1”或“未知2”，调节Ra（即依次转动测量盘、），使检流计指示到零。此时所得待测电动势Ex的大小，是电位差计所有测量盘、上读数乘以各量程的总和再乘以倍率选择开关P所指示的“10”或“1”的值。【数据处理】 重复上述步骤2、3，测得8个Ex值，求出Ex值的平均值及不确定度，最后以表达测量结果注：B（仪）由（8-1）式计算出。【注意事项】 1辅助电源、标准电池以及待测电动势的极性绝对不可接错，否则得不到电压补偿，若按下电键按钮，检流计线圈中将有很大电流通过，易使仪器损坏。 2在测量过程中，工作条件经常发生变化（如辅助回路电源E不稳定等），为保证工作电流标准化，使测量结果更准确，应经常校正工作电流，在校正工作电流时，应和调节工作电流一样，S指示在“标准”位置。 3检流计线圈中不允许通过大电流，所以和检流计内部相接的面板左下角的电键必须按先“粗”后“细”的顺序操作。【思考题】1在工作电流标准化过程中，总调不到平衡，即检流计指针总是偏向一边，试分析可能的原因？2如何利用低量程电位差计较准比其量程高的电压表？请设计一简单电路。3怎样运用电位差计较准一电流表？请设计一简单电路。4当用一个已被校准好的箱式电位差计去测电动势时，发现无论如何也调不到平衡，分析哪些因素会导致上述现象发生？ 5怎样用电位差计测量待测电阻的阻值？参考资料 直流检流计使用方法 本实验用两种直流检流计：AC15/4型和AZ19型。 1AC15/4型直流检流计 外形如图8-6所示的检流计为磁电式指针电流计，电流常数为2710-7A/div，在电位差计实验中做示零器。它的零点位于刻度盘中央，有调零旋钮，若通电前指针偏离了零点，则应先利用检流计上的调零旋钮调零，然后方可使用。安全制动拨钮平时处于锁定位置（拨钮指向红色圆点），检流计处于断开状态，以防止因震动造成机心损坏，只有使用时才打开（拨钮指向白色圆点），使指针能自由摆动。直接将检流计线圈短路的按键称“短路”按键。检流计指针偏离零位时断电，指针会在零位左右摆动不停，影响下一次测量，这时只需在指针过零位时，按下此键，指针便在电磁阻尼作用下迅速停止于零位。“电计”按钮的作用相当于串接在电路中的开关，按下此键电路才会接