设计性物理实验微小电阻的测定

1、景德镇陶瓷学院设计性物理实验微小电阻的测定姓名：班级：学号：2011/12/27 微小电阻的测定摘要：电阻按照阻值大小可分为高电阻(100KW以上)、中电阻(1W 100KW)和低电阻(1W 以下)三种。一般说导线本身以及和接点处引起的电路中附加电阻约为>0.1W，这样在测低电阻时就不能把它忽略掉。对惠斯通电桥加以改进而成的双臂电桥(又称开尔文电桥)消除了附加电阻的影响，适用于10-5102 W电阻的测量。本实验要求在掌握双臂电桥工作原理的基础上，用双臂电桥测金属材料的电阻率。QJ44型直流双臂电桥，符合GB/T3930-1983标准，是携带型测量0.0001-11电阻的双臂电桥。全量程

2、由五个量限和步进读数盘及滑线读数盘组成；内附晶体检流计和内附工作电源，故不需任何其它附件即可投入测量工作。适合工矿企业实验室、车间现场或野外工地，对直流低值电阻作准确测量。体积小，测量迅速，使用方便，为配合外接高灵敏度指零仪表及大容量电源需要，电桥有外接指零仪插座及外接电源接线端钮。开关、接线柱及指零表头等仪器的部件均安装在一块金属板上，表头读数清晰，并有灵敏度调节，抗振强度高，整个仪器装入带盖的金属箱内，携带方便。关键词： 接触电阻 导线电阻 低电阻 四端钮接法 双电桥 QJ44型双电桥1、 实验目的1 了解四端引线法的意义及双臂电桥的结构；2 学习使用双臂电桥测量低电阻；3 学习测量导体的

3、电阻率。2、 实验原理1 四端引线法测量中等阻值的电阻，伏安法是比较容易的方法，惠斯顿电桥法是一种精密的测量方法，但在测量低电阻时都有发生了困难。这是因为引线本身的电阻和引线端点接触电阻的存在。图1为伏安法测电阻的线路图，待测电阻RX两侧的接触电阻和导线电阻以等效电阻r1 、r2、 r3 、 r4表示，通常电压表内阻较大，r1和r4对测量的影响不大，而r2和r3与RX串联在一起，被测电阻（r2+RX+r3）， 若r2和r3数值与RX为同一数量级，或超过RX，显然不能用此电路来测量RX。若在测量电路的设计上改为如图2 所示的电路，将待测低电阻RX两侧的接点分为两个电流接点C-C和两个电压接点P-

4、P，C-C在P-P的外侧。显然电压表测量的是P-P之间一段低电阻两端的电压，消除了r2、和r3对RX测量的影响。这种测量低电阻或低电阻两端电压的方法叫做四端引线法，广泛应用于科技测量中。例如为了研究高温超导体在发生正常超导转变时的零电阻现象和迈斯纳效应，必须测定临界温度Tc，正是用通常的四端引线法，通过测量超导样品电阻R随温度T的变化而确定的。低值标准电阻正是为了减小接触电阻和接线电阻设有四个端钮。 图1 伏安法测电阻 图2 四端引线法测电阻2 双臂电桥测量低电阻用惠斯顿电桥测量电阻，测出的RX值中，实际上含有接线电阻和接触电阻（统称为Rj）的成分（一般为10-310-4数量级），若Rj/RX

5、<RX<0.5%，通常可以不考虑Rj的影响，而当被测电阻达到较小值时，Rj所占的比重就明显了。因此，需要从测量电路的设计上来考虑。双臂电桥正是把四端引线 法和电桥的平衡比较法结合起来精密测量低电阻的一种电桥。如图3 中，R、R、R1、R2为桥臂电阻。Rs为比较用的已知标准电阻，Rx为被测电阻。Rs和Rx是采用四端引线的接线法，电流接点为C1、C2（Rs在实物上是较粗的，Rx在实物上是外侧两接点）；电位接点P1、P2（Rs在实物上是 较细的，Rx在实物上是内侧两接点）。 被测电阻则是Rx上P1、P2间的电阻。 图3 双臂电桥测低电阻测量时，接上被测电阻Rx ，然后调节各桥臂电阻值，使

6、检流计指示逐步为零，则Ig=0时，根据基尔霍夫定律可写出以下三个回路方程。式中r为Cs2和Cx1的线电阻。将上述三个方程联立求解。可写成下列两种不同形式。由此可见，用双臂电桥测电阻，Rx的结果由等到式右边的两项来决定，其中第一项与单臂电桥相同，第二项称为更正项。为了使双臂电桥求Rx的公式与单臂电桥相同，使计算方便，所以实验中可设法使更正项尽可能做到为零。在采用双臂电桥测量时，通常可采用同步调节法，令R/R1=R/R2，使得更正项能接近零。则式（）变为另外，Rx和Rs电流接点间的导线应用较粗的、导电性良好的导线，以使r值尽可能小，这样，即使R/R1与R/R2两项不严格相等，但由于r值很小，更正项

7、仍能趋近于零。双臂电桥所以能测量低电阻，总结为以下关键两点：（1） 单臂电桥之所以不能测量小电阻，是因为用单臂电桥测出的值，包含有桥臂间的引线电阻和接触电阻，当接触电阻与Rx相比不能忽略时，测量结果就会有很大的误差。而双臂电桥电位接点的接线电阻与接触电阻位于R、R1和R、R2的支路中。实验中设法令R、R、R1、R2都有不小于10，那么接触电阻的影响就可以略去不计。（2） 双臂电桥电流接点的接线电阻与接触电阻，一端包含在电阻r里面，而r是存在于更正项中，对电桥平衡不发生影响；另一端则包含在电源电路中，对测量结果也不会产生影响。当满足R/R1=R/R2条件时，基本上消除了r的影响。3、 实验仪器及

8、用具QJ19型 单双臂电桥，待测电阻，电流，游标卡尺，千分尺，灵敏检流计，标准电阻，反向开关，电阻箱，导线等。QJ19型 单双臂电桥简介QJ19型电桥线路如图，板面布置如图4所示。 它是一种单双臂两用电桥，当作单臂电桥时，把3、4短路，在5、6上接上待测电阻，9、10接上电源即可进行测量。它在结构上使R和R为同轴调节，保证两电阻值总是相等，在作双臂电桥使用时，调节R1=R2。这样就保证了测低电阻时所要求的条件。 现在介绍作双臂电桥使用的方 图4 QJ-19型电桥原理图像使用时，将检流计、标准电阻和待 测电阻的电位接头P1、P2分别接到“电 计”、“标准”和“未知”（双）接线柱上。待测电阻和标准

9、电阻的电流接点（J1、J2）相串联后通过反向电键盘再通过可变电阻和电流表与电池两极相连，如图 所示。 图5 QJ-19型电桥面板图板面上的粗、细和短路按钮，分别是检流计支路开关S1、S2和S3。R和R是采取同轴调节（面板上只标出R）各由五个十进盘电阻组成，分别为×100，×10，×1，×0.1、×0.01。R的数值决定待测电阻的有效位数。另一对比率臂R1和R2分别可调节成104、103、102、10四个阻值。作双臂电桥使用时必须使R1=R2 。R1和R2的取值根据Rs和Rx数量级而定，必须保证R的×100档取非零值。 图6 双臂电桥测

10、量低电阻在正确使用条件下，QJ-19型电桥测量的误差分布是量 程 相对误差E10-510-4 ±0.5%10-410-3 ±0.1%10-3102 ±0.05%灵敏检流计的使用方法参见本套教材基础部分§2-24、 实验内容1 测量一段金属丝的电阻Rx按图6连接好电路。合上开关S，调节电路中电流为100mA，调定R1=R2的阻值，按下“粗”“电池”按钮进行粗调，调节R电阻的“×100”、“×10”、“×1”三位旋钮，使检流计指示为零后，改压“细”，“电池”按钮进行细调，调节R电阻的“×1”、“×0.1”、“

11、×0.01”三位旋钮，使检流计指示为零，双臂电桥调节平衡，记下R1、R2、R、和RS阻值。2 将开关S合向另一方，使电路中电流反向，重新调节电桥平衡，记下R1、R2、R、及RS阻值，3 用游标卡尺测量金属丝的长度L，测量五次求平均值，并计算不确定度。4 用螺旋测微计测量金属丝的直径d，在不同部位测量五次，求平均值，并计算不确定度。5 根据公式，计算金属丝的电阻率及不确定度。6 改变金属丝的长度，重新上述步骤，并比较两次测量结果。注意Rx和RS的电流和电压接头要保持表面清洁及良好的接触。连接Rx和RS电流端应选用短而粗的导线。由于测量低电阻时通过待测电阻的电流较大，在测量通电时应尽可能

12、短暂。注意事项：（1）被测电阻一定要按电流接头分开的原则正确一一对应接上，连接导线应短而粗，且各接头必须擦拭干净，按紧接牢。 （2）由于通过被测电阻的电流比较大，测量中通电的时间应该尽量短。数据处理与分析(铁棒)长度/mm倍率读步进读数滑线盘读数Rx/600.010.070.006157.615×10-41000.10.010.002601.260×10-31500.10.010.009511.915×10-32000.10.020.005732.573×10-32500.10.030.002233.223×10-33000.10.030.00

13、8713.872×10-3350100.004264.26×10-3400100.004674.67×10-3460100.005235.23×10-3 实验小结：大学是个开放的平台，自主学习是大学的宗旨，设计性物理实验完美的诠释了这一点。本次实验历时一周，从选题、准备实验方案到确定实验方案再到进行实验、撰写实验报告每一步都不简单，在这些过程中需要细心、耐心尤其是恒心。通过此次物理实验实践周，我学到了一定的知识，通过自己的反复思考，让我在动手的同时，还发动了脑的作用。这个微小电阻的测定实验主要探讨组是在一欧姆下的电值（铁棒），由于以前就做过关于测量电阻的实验，本次的物理实验无线通过找资料了解到了实验的步骤和目的。但是由于时间和仪器的关系，我只测量了铁棒的阻值。 在实验室中，虽然微小电阻的测定这个实验操作并不难，但推广到现实应用中，我觉得微小电阻的测定对于节能环保来说是一个应该深入研究的课题。 实验让我们有了更多实践的机会，教会我们实践中出真理，而在