实验六 电位差计的应用

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1、实验六电位差计的应用【实验目的】1.掌握电位差计的工作原理和结构特点；2.学习使用电位差计测电池电动势和电压的方法。　【实验仪器】UJ-25型电位差计、检流计、标准电池、电阻箱、标准电阻、电池、单刀开关等。　【实验原理】电位差计是用来测量电位差的仪器，其精度高，在生产科研和计量等部门得到了广泛应用。电位差计不仅用于测量直流电动势(电压)，而且还常用于测电流、电阻和功率，并还可通过转换器件用来测量非电量，如温度、压力、位移等。一、电位差计的电路原理如果要测未知电动势Ex，原则上可按图3-42安排电路，其中E0是可调电压的电源。调节E0使检流计指零，这就表示在这个

2、回路中两电源(E0,Ex)的电动势必然是方向相反、大小相等，故数值上有：Ex=E0这时，我们称电路达到补偿。在补偿条件下，若E0的数值已知，则Ex即可求出。据此原理制成的测量电动势或电位差的仪器称为电位差计。可见，电位差计需要有一个E0，而且它要满足两个要求：(1)它的大小应便于调节，以使E0能够和Ex补偿；(2)它的电压应该很稳定，并能读出准确的电压值。图3-42图3-43 在实际的电位差计中，E0是通过下述方法(如图3-43)得到的：电源E、限流电阻R′和精密电阻Rab串联成一闭合回路，当有一恒定的标准电流I0流过电阻Rab时，改变Rab上两滑动头

3、C，D的位置，就能改变C，D间的电位差VCD的大小，VCD正比于电阻Rab中C，D之间的那部分电阻值，由于测量时应保证I0恒定不变，所以在实际的电位差计中都根据I0的大小把电阻的数值转换成电压刻度标在仪器上，VCD相当于上面所需要的“E0”。测量时把滑动头C，D两端的电压VCD引出与未知电动势Ex进行比较。ExCDGEx(或EsC′D′GEs)称为补偿回路。要注意的是在电路中E和Ex(或Es)必须接成同极性相对抗，即Ex的负极要接在ab线上电位较低的一点，而Ex的正极经检流计后，接在电位较高的一点。1.校准把开关K倒向Es一边，为了使Rab中流过的电流是标准电

4、流I0，根据标准电池电动势Es的大小，选定C，D间的电阻为Rs，调节R′使：Es=I0·Rs(1)即调节R′改变辅助回路中的电流，当检流计指零时，Rs上的电位降恰与补偿回路标准电池的电动势Es相等，由于Es和Rs的数值都能很准确地知道，这样辅助回路中的电流也就能被精确地校准为所需要的I0值。2.测量把开关K倒向Ex一边，只要Ex≤I0Rab，总可以滑动C，D到C′，D′(如虚线所示)，使检流计再度指零，这时C′，D′间的电位降即和待测的电动势Ex相等。设C′，D′之间的电阻为Rx，可得：Ex=I0·Rx=Rx·Es/Rs(2)I0已被校准，Ex也就被测

5、出。同理，如果要测任一电路两点间的电位差，只需将待测两点接入补偿回路来代替Ex即可。二、电位差计的优缺点由式(2)可知，用电位差计测电位差的实质是通过电阻的比较把待测电压与标准电池的电动势作比较，因而它具有下述优点：1.准确度高(因为标准电池的电动势Es准确稳定、检流计灵敏度高，同时，精密电阻Rab也可以做得很均匀准确)，可作为标准器用来校电表。2.测量范围广，可测小电压或电压的微小变化，学生式电位差计的低量程档可测到10-6V。3.“内阻”高，不影响待测电路。我们知道用电压表测量电位差时总要从被测电路中分出一部分电流，从而改变了被测电路的工作状态，电

6、压表的内阻越低，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)，故可测出电源电动势。但是，在电位计测量过程中，其工作条件常易发生变化(如辅助回路电源E不稳定、限流电阻R′不稳定等)，为保证工作电流标准化，每次测量都必须经过校准和测量两个基本步骤，且每次要达到补偿都要进行细致的调节，所以操作繁琐费时。近年来，数字式仪表有了很大发展，数字式电压表的内阻高(＞107Ω)，准确度高，测量范围也广，而且操作方便，结果显示快，正在越来越多的场合代替电位差计而成为测量电位和电动势的高精度仪器。三、标准电池由于电位

7、差计的测量精度依赖于Es，故Es一般由精度很高的标准电池提供。常用的标准电池是镉汞电池，分为H形封闭玻璃管式和单管式，前者只能正立使用，且不能晃动或倒置。图3-44为H型标准电池示意图，其两极为汞和镉汞齐，正、负极引出线都是铂丝，电解液为硫酸镉溶液，按溶液浓度H型标准电池又可分为饱和式和不饱和式两种，饱和式的电动势最稳定，但其电动势易随温度变化，t℃时电动势Et为：Et=E20-39.94×10-6(t-20)-0.929×10-6(t-20)2+0.0090×10-6(t-20)3-0.00006×10-6(t-20)4(V)图3-44 式中，E20

8、=1.01863V为20