用电位差计测电动势

一、实训目标

1.了解电位差计的结构;

2.理解电位差计的工作原理;

3.学会用电位差计测试电源的电动势。

二、实训器材

87-1型电位差计、电表、直流电源、待测电源、导线若干。

三、实训原理

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10-1),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:U＝E－Ir,E—电源电动势;r—电源内阻;I—回路中电流;U—电压表指示数;电压表的指示数U,表示电源的端电压;Ir为电源内阻上的电压降。由于电源内阻是未知的,因此由上式不能根据U的值准确确定电源的电动势。

图10-1

图10-2

图10-2是将被测电动势的电源Ex与一已知电动势的电源E0“＋”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E0可调并已知,那么改变E0的大小,当回路中没有电流,检流计指示为零,则电路满足Ex＝E0,这时待测电动势Ex得到己知电动势E0的完全补偿。于是根据已知电动势值E0可测出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上述补偿回路代替Ex,根据补偿原理就可以测出其大小。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。

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E0应有两点要求:①可调。能使E0补偿Ex。②精确。能方便而准确地读出补偿电压E0的大小,数值要稳定。图10-3为补偿法测电动势的原理图,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I0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E0,E0和Ex组成的回路cdGEx称为补偿回路。

要想使回路的工作电流等于设计时规定的标准值I0,必须对电位差计进行校准。方法如图10-4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/I0,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I0满足关系I0＝Es/Rcd,由于已知的Es、Rcd都相当准确,所以I0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I0。

图10-3　电位差计原理图

图10-4　电位差计的校准

测量未知电动势Ex在图10-4中,将开关K倒向Ex,保持R不变即I0不变,只要Ex≤I0Rab,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＝I0Rx,因为电位差计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＝I0Rx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E0比较时,不从Ex取用电流,也不向Ex输入电流,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:

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准确度高。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,而且每次要细致调节达到补偿,因此操作繁杂费时。

电位差计内部电路如图10-5虚线内所示,电阻RA和RB相当于图10-4中的电阻Rab,可见和R－两个接头相应于图10-4的ba两点,电源的正负极分别接c、d两点。RA全电阻是160欧姆,分16挡,每挡10欧姆;RB为滑线盘电阻,全电阻为11欧姆。仪器规定的工作电流为10 mA,所以RA上每段电阻电压为0.1V,而全段RB全段的电压降也是0.11V。

图10-5　实验连线原理图

电位差计的面表如图10-6所示,使用电位差计时,必须加接外电路,其连线图如图10-5所示。而RA、RB（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10-6　电位差计面板图

电位差计的外电路所需配套件,除了电源E和标准电池要外配外,其他均已安装在同一木箱内,各部分之间连接导线也成套供应。

四、实训内容及步骤

1.校准电位差计

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和RB,使其电压刻度等于标准电池电动势Es＝1.01860V,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,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I0已达到规定值。

2.测量未知电池电动势

如图10-5接好电路,按待测电动势的近似值调好RA、RB、R,Rb先取最大值,K2推向Ex并同时调电位差计RA、RB和Rb使检流计无偏转（在测Ex的步骤中R不能变动)此时RA和RB的测盘的读数值即为Ex值,测量结束应断开K1、K2、K3。

重复“校准”与“测量”两个步骤。共对Ex测量3次,取Ex的平均值作为测量结果。

3.测量干电池内阻r

图10-7

①打开K2、K3将图10-5中Ex换成图10-7所示线路,其余部分不变,R′为电阻箱。

②同上述测量步骤,合上K4测得R′两端电压E′。

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。

注意事项:

①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。

③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再接入电路。

④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。

五、数据记录与分析

1.数据记录

表10-1　测量未知干电池的电动势Ex

表10-2　测量干电池内阻

2.计算

r＝________________Ω。

六、思考题

1.实验中如果发现检流计总往一边偏,无法调到平衡,试分析可能的原因有哪些？

2.可否用电位差计测20mV的电压,应将倍率挡指向×1还是×0.1？