87-1型学生式电位差计

PAGE41型学生式电位差计使用说明书87-1型学生式电位差计主要用途：学生式电位差计是按串联代换式电位差计的电路设计的。其特点是线路简明、原理清楚，非常适合大学、中专、中学的学生实验。用它不仅可以直接测量电源电动势、温差电动势，而且配用标准电阻箱后还可以用来测量直流电流和电阻等。主要特性：1、本电位差计基本误差为±0.2%（以满度值计算）；2、本电位差计的工作电流为5.5毫安；3、本电位差计有“×1”和“×0.1”“×1”档的测量上限为1.710伏，最小分度为0.0001伏；“×0.1”档的测量上限为171.0毫伏，最小分度为0.01毫伏4、本电位差计可以在温度0～+35℃，相对湿度不大于80％环境中使用5、本电位差计的工作电源为2.8～3.2伏，可直接用直流稳压源或甲电池。此时电源回路的工作电流调节可采用“内接R”，当采用4～6伏直流稳压源时可采用外接电阻箱作工作电流调节。一、概述电位差计是通过将被测电压与内部已知的补偿电压进行比较来测定未知电压或未知电源电动势。当补偿电压和被测电压平衡时，本电位差计既不从被测电路中获取电流，也不会给出电流，从而保证了被测电路的状态不变。这正是补偿法测量的优点和特点。电位差计被广泛地应用在计量工作和其它精密测量中。通过学生式电位差计实验，可以了解电位差计的基本原理、结构和使用方法。二、电位补偿原理用电压表不能准确地测电动势。电压表可以测量电路各部分的电压，但不能测量具有内阻的电源的电动势。因为电压表并联在电源的两端时（图1），根据闭合欧姆定律可知，电压表的指示是此时电源的端电压，而不是它的电动势。图中：V=E-IrE—电源电动势；r—电源内阻；I—回路中电流；V—电压表指示数；电压表的指示数V，表示电源的端电压；Ir为电源内阻上的电压降。由于电源内阻是图1未知的，因此由上式不能根据V的值准确确定电源的电动势。图2是将被测电动势的电源Ex与一已知电动势的电源EO“+”端对“+”端，“-”端对“-”端地联成一回路，在电路中串联检流计“G”，若两电源电动势不相等，即Ex≠E0，回路中必有电流，检流计指针偏转；如果电动势EO可调并已知，那么改变EO的大小，使电路满足EX=E0，则回路中没有电流，检流计指示为零，这时待测电动势EX得到己知电动势EO的完全补偿。可以根据已知电动势值EO定出EX，这种方法叫补偿法。如果要测任一电路中两点之间的电压，只需将待测电压两端点接入图2上述补偿回路代替Ex，根据补偿原理就可以测出它的大小。我们知道，用电压表测量电压时，总要从被测电路上分出一部分电流，从而改变了被测电路的状态，用补偿法测电压时，补偿电路中没有电流，所以不影响被测电路的状态。这是补偿测量法最大的优点和特点。三、电位差计按电压补偿原理构成的测量电动势的仪器称为电位差计。由上述补偿原理可知，采用补偿法测量电动势对EO应有两点要求：（1）可调。能使EO和EX补偿。（2）精确。能方便而准确地读出补偿电压EO大小，数值要稳定。是实现补偿法测电动势的原理线路，即电位差计的原理图。采用精密电阻Rab组成分压器，再用电压稳定的电源E和限流电阻R串联后向它供电。只要Rcd和IO数值精确，则图中虚线内cd之间的电压即为精确的可调补偿电压EO，EO和EX组成的回路cdGEX图3称为补偿回路。四、电位差计的标准要想使回路的工作电流等于设计时规定的标准值IO，必须对电位差计进行校准。方法如图4所示。ES是已知的标准电动势，根据它的大小，取cd间电阻为Rcd，使Rcd=ES/IO，将开关K倒向ES，调节R使检流计指针无偏转，电路达到补偿，这时IO满足关系IO=ES/Rcd，由于已知的ES、Rcd都相当准确，所以IO就被精确地校准到标准值，要注意测量时R不可再调，否则工作电流不再等于IO。图4五、测量未知电动势EX在图4中，将开关K倒向EX，保持R不变即IO不变，只要EX≤IORab，调节c、d就一定能找到一个位置，使检流计再次无偏转，这时c、d间的电阻为RX，电压为EX=IORX，因为实际的电位差计上都是把电阻的数值转换成电压数值标在电位差计上，所以可由表面刻度直接读出EX=IORX的数值。

如果要测量任意电路中两点之间的电位差，只需将待测两点接入电路取代EX即可，此时需注意，这两点中高电位的一点应替换EX的正极，低的替换负极。

电位差计是用补偿法测电动势的仪器，除了具有一般比较法的优点外，在通过补偿电路将未知电动势EX与补偿电压EO比较时，不从EX取用电流，也不向EX输人电流，因而待测电源可不受测量干扰而保持原态，这称为原位测量，电位差计的优点可以这样来表达：

（1）“内阻”高，不影响待测电路，用电压表测量未知电压时总要从被测电路上分出一部分电流，这就改变被测电路的工作状态，电压表内阻越小，这种影响越显著，用电位差计测量时，补偿回路中电流为零，可测出电路被测两端的真正电压。

（2）准确度。由于电阻Rab可以做得很精密，标准电池的电动势精确且稳定，检流计足够灵敏，所以在补偿的条件下能提供相当准确的补偿电压，在计量工作中常用电位差计来校准电表。

值得注意的是电位差计在测量的过程中，其工作条件会发生变化（如回路电源E不稳定，限流电阻R不稳定等），为保证电流保持规定的数值，每次测量都必须经过校准和测量两个基本步骤，两个基本步骤的间隔时间不能过长，而且每次要达到补偿都要细致的调节，因此操作繁杂，费时。六、学生式电位差计图5学生式电位差计内部电路如图5虚线内所示，电阻RA、RB、RC相当于图4中的电阻Rab，可见BA+和R-两个接头相应于图4的ba两点，E-E+两个接头则相应于c、d两点。RA全电阻是320欧姆，分16档，每档20欧姆；RB全电阻是20欧姆，分10档，每档2欧姆电阻；RC为滑线盘电阻，电阻值为2.2欧姆。RB电阻在测量时，会随测量档的变化而变化，这势必引起如图4中a、b间电阻变化，破坏了工作电流IO的不变的规定。为此，引入RB’所谓的替代电阻。RB和RB’同轴变化。当RB每增加一档电阻时，RB’则减少一档电阻，反之亦然。保证RB不论处于哪一档，RB+RB’=20Ω不变，确保图4中a、b间总电阻值不变。为了实施量程变换，在产生测量补偿电压支路上并联了一条分流支路。当×1时，流过测量补偿电压支路的电流为5mA，分流支路电流为0.5mA；当×0.1时，流过补偿电压支路电流为0.5mA，流过分流支路电流5mA。显然，后者量程由于电流减少到十分之一，量程也变小十分之一。

使用学生电位差计时，必须加接外电路，如图5所示。而RA、RB、RC（由c到d）和外电路的检流计G、保护电阻Rb等组成补偿回路。K1为电源开关，K2可保持ES和EX相互迅速替换，K3作检流计的开关，Rb是可变电阻箱，用以保护检流计和标准电池。图6学生式电位差计的外电路所需配套件，除了电源E、标准电池和Rb可变电阻箱要外配外，其它均已安装在同一木箱内，各部分之间连接导线也成套供应。七、实验内容本实验内容是根据中央广播电视大学物理组编写的“普通物理学实验讲义”中所规定的实验要求而编写的，简单说明如下：

1、校准学生式电位差计（称校准）

使用电位差计之前，先要进行校准，使电流达到规定值。先放好RA、RB和RC，使其电压刻度等于标准电池电动势，取掉检流计上短路线，用所附导线将K1、K2、K3、G、R、Rb和电位差计等各相应端钮间按原理线路图进行连接，经反复检查无误后，接入工作电源E，标准电池ES和待测电动势EX，Rb先取电阻箱的最大值，（使用时如果检流计不稳定，可将其值调小，直到检流计稳定为止），合上K1、K3，将K2推向ES（间歇使用），并同时调节R，使检流计无偏转（指零），为了增加检流计灵敏度，应逐步减少Rb，如此反复开、合K2，确认检流计中无电流流过时，则IO已达到规定值。2、测量电池电动势（称测量）按待测电动势的近似值放好RA、RB、RC，Rb先取最大值，K2推向EX并同时调电位差计RA、RB、RC和Rb使检流计无偏转（在测EX的步骤中R不能变动）此时RA、RB和RC显示的读数值即为EX值，测盘结束应打开K1、K2、K3。重复“校准”与“测量”两个步骤。共对EX测量三次，取EX的平均值作为测量结果。

3、测量电池的内阻

a、打开K2、K3将图5中EX换成图7所示线路，其余部分不变，R’为电阻箱。

b、同上述测量步骤，合上K4测得R’，两端电压E’。由化简得式中：r—电池内阻，Ω；EX—电池电动势，V；E’—K4合上时端电压，V；R’—与电池并联的电阻箱阻值，Ω。R’已知，只要分别测出当开关K4打开和合上时ab两端的电压EX和E’,然后代入公式可求得电池内阻。八、注意事项1、随产品的七根连线为图5中的粗线部分，当进行“校准”时取掉短路线，不使用本仪器时，检流计一定要短路，否则检流计处于开路状态。

2、使用电位差计必须先接通其他电路，然后再接补偿回路，断电时须先断开补偿回路，再断开其他电路。3、标准电池只能短时间通过1μA左右的电流，否则将影响标准电池的精度直到造成永久性电动势衰落。所以，校准中要注意选用“Rb”，使用K2要短促，以保护标准电池，不能用伏特计测它的电动势，要防止标准电池震动。

待测电池不能供给大电流，所以测其内阻时R’值不能太小。应先定好R’=100Ω再接入路。实验中只在测量E’时才合上开关K4，测量完毕立即断开，以免干电池放电过多。图7九、与本实验共同使用的仪器（另行定货）1、Rb可变电阻箱——杭州大华仪器制造有限公司生产的ZX21a型直流电阻器，准确度0.1级，测量范围0～111111欧姆。2、ES标准电池——杭州大华仪器制造有限公司生产的BC2型便携式饱和标准电池，准确度0.005级，实际值：1.01855～1.01868伏。十、成套性1、87-1型学生式电位差计1台2、使用说明书1本3、产品合格证1份4、测试连接线8根在用户遵守保管和使用规则的条件下，从制造厂发货日起12个月内，因产品质量不良或不能正常工作时，本厂无偿为用户修理。