要测量电动势(电位差)Ex,必须分两步进行:
(1)定标
利用标准电源En高精确度的特点,使得工作回路中的电流I能准确地达到某一标定值I0,
这一调整过程叫电位差计的定标。
图(2)
电位差计定标原理图
2
THMV-1型直流电位差计实验仪本实验采用滑线式十一线电位差计,电阻RAB是11m长粗细均匀电阻丝。根据定标原则,按图(2)连线,移动滑动触头M、N,将M、N之间的长度固定在Lmn上,调节工作电路中的电阻R,使补偿回路中的定标回路达到平衡,即流过检流计G的电流为零,此时:
En=Vmn=I0Rmn=I0ρLmnS
在工作过程中,ABCD中工作电流保持不变,因电阻RAB是均匀电阻丝,令
V0=
那么有ρI0S(1)(2)E
s=V0Lmn
很明显V0是电阻丝RAB上单位长度的电压降,称为工作电流标准化系数,单位是V/m。在实际操作中,只要确定V0,也就完成了定标过程。
由(2)式可知,当V0保持不变时(即ABCD中工作电流保持不变),可以用电阻丝MN两点间的长度Lmn(力学量)来反映待测电动势Ex(电学量)的大小。为此,必须确定V0的数
阻丝阻
值稳定,所以只有调节ABCD中工作电流I0的大小,才能得到所需的V0值,这一过程通常称作“工作电流标准化”。
(2)测量Ex
测量待测电动势Ex的过程与工作电流标准化的过程正好相反。
当上面定标结束后,按图3连线,调节M’、N’之间长度Lm'n',使M’、N’两点间电位差Vm'n'等于待测电动势Ex,达到补偿,此时流过检流计G的电流为零。即值。为使读数方便起见,取V0为0.1或0.2,……1.0V/m等数值。由于V0=ρI0,而且电S
Ex=Vm'n'=I0ρLm'n'S
图3
结合式(2)得电位差计测量原理图
3
THMV-1型直流电位差计实验仪Ex=V0Lm'n'(3)
下面用例子说明定标和测量过程,标准电源En=1.0186V,取V0=0.10000V/m。定标:为了保证RAB单位长度上的电压降V0=0.10000V/m,则要使电位差计平衡的电阻
丝长度Lmn=En=10.1860m,调节限流电阻R使Vmn=En,即检流计G的电流为0,此时V0RAB上的单位长度电压降就是0.10000V/m了。
测量:经过定标的电位差计就可用来测量待测电位差,调节Lm'n',使Vm'n'和Ex达到补偿,即Ex=Vm'n'=V0Lm'n'
若Lm'n'=14.864m,Ex=0.10000×14.864=1.4864(V)
3.电位差计的优缺点
十一线电位差计测量的准确度主要取决于下列因素:
(1)十一米电阻丝每段长度的准确性和粗细的均匀性;
(2)标准电源的准确度;
(3)检流计的灵敏度;
(4)工作电流的稳定性。
用电位差计测量电位差具有下述优点:
(1)准确度高,仅依赖于标准电阻、检流计、标准电源,因为本实验仪精密电阻丝RAB很均匀准确,标准电源的电动势准确稳定,检流计很灵敏,而且是数字式,读数方便,故可作为标准仪器来校验电表。
(2)测量范围宽广,灵敏度高,可测量小电压或电压的微小变化。
(3)“内阻”高,不影响待测电路。它避免了伏特计测量电位差时总要从被测电路上分流的缺点。由于采用电位补偿原理,测量时不影响待测电路的原来状态。用伏特表测量电压时总要从被测电路上分出一部分电流,从而改变了待测电路的原来状态,伏特表内阻越低,这种影响就越大。而用电位差计测量时,补偿回路中电流为零(当然不是绝对的,检流计灵敏度越高,越接近于零),对待测电路的影响可以忽略不计。
缺点:
电位差计在测量过程中,其工作条件易发生变化(如辅助回路电源E不稳定、可变电阻R变化等),所以测量时为保证工作电流标准化,每次测量都必须经过定标和测量两个基本步骤,且每次达到补偿都要进行细致的调节,所以操作繁琐、费时。
四.仪器介绍
本实验利用的是十一线电位差计,如图4所示,它具有结构简单、直观、便于分析讨论等优点,适宜学生用来做实验。其中电阻丝AB长11m,往复绕在木板的十一个接线插孔1、2、…、11上,每两个插孔间电阻丝长为1m,插头M可选插入孔1、2、…、11中任
4
THMV-1型直流电位差计实验仪一孔,电阻丝BO附在带有毫米刻度的米尺上,触头N可在它上面滑动。
电路中标准电源En和检流计G都不能通过较大电流,但在测量时,可能因接头MN之间的电位差Vmn和En(或Ex)相差较大,而使标准电源和检流计中通过较大电流,因此在回路中串接一只大电阻Rp,但这样就降低了电位差计的灵敏度,即可能接头MN之间电位差Vmn和En(或Ex)还没有完全平衡,由于大电阻Rp的存在而使检流计无明显偏转。因此,在电位差计平衡后,还应合上K2以提高电位差计的灵敏度,由于电阻Rp起保护标准电源和检流计的作用,故称为保护电阻。
五.实验步骤
1.按图4连接线路。R用电阻箱,注意电源正负极的连接。
2.定标。取V0=0.1000V/m。将MN间长度Lmn固定在10.186m处,断开K2,将K1倒向En,合上K。调整R使检流计大致指零,合上K2并反复调R,直到检流计再次指零。此时,V0=0.1000V/m。
3.测量未知电动势Ex。断开K2,将K1倒向Ex,合上K。调整MN间长度Lmn,使检流计大致指零,合上K2并反复调MN之间距离,直到检流计再次指零,记下此时Lmn,则待测电池电动势Ex=V0Lmn。
4.取V0=0.2000V/m,则取Lmn=5.093m;重复步骤2,3。
图4
六、电位差计的应用电位差计实验装置图
电位差计所具有的优点,使得它在高精度测量电压方面得到广泛的应用。
1.量各种电动势,特别是微小电动势。例如温差电偶的温差电动势,各种电解液、
电极组成的化学电池电动势,霍尔元件的霍尔电动势等。
5
THMV-1型直流电位差计实验仪2.校准伏特计。另配一个大小合适输出可调的待测电动势,将伏特计并接在待测电动势两
端,调节待测电动势输出电压,同时记录直流电位差计和伏特计的读数Ex和V,则ΔV=Ex-V,ΔV-V曲线即为伏特计的校正曲线。
七、注意事项
1.一线电位差计实验板上的电阻丝不要任意去拨动,以免影响电阻丝的长度和粗细均匀。
2.本实验仪中的标准电源,不允许通过大电流,否则将使电动势下降,与标准值不
符;
不允许用一般电压表或多用表去测量它的电动势,更不允许把它作为电源使用,否则会损坏该标准电源。
八、思考题
1.为什么用伏特计测量电位差时,所得之值必小于未接伏特计时的初始值?用什么
方法
可以测得精确的电位差?
2.叙述电位补偿的原理及其特点。画出十一线电位差计的实验线路图,并简述其测
量步
骤。
3.为什么要进行电位差计工作电流标准化的调节,V0值的物理意义是什么?V0值
选取的
根据是什么?当工作电流标准化后,在测量Ex时,电阻箱为什么不能再调节?
4.要使电位差计能达到电位补偿的必要条件是什么?为什么?若工作电源电动势
小于待
测电源电动势将产生什么结果?为什么?
5.决定十一线电位差计准确度的因素是什么?
6.检流计的灵敏度对电位差计测量的准确度有什么影响?
7.工作电源的不稳定对电位差计的测量有什么影响?
8.电位差计实验中如果电流计总是偏向一边而不能补偿,请分析一下故障有几种可
能?
如何检查和排除故障?
9.保护电阻是为了保护什么仪器?如何使用?
10.当你用定标好的电位差计来测量时,如发现其量程不够大,应如何处理?
11.电位差计实验中标准电源起什么作用?使用时应注意什么问题?
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