补偿原理测电动势
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用补偿法测电动势
Determinnation of Electromotive Force by Potentionmeter
电位差计是利用补偿原理测量电动势(或电压)的一种精密仪器。通过实验,要求掌握补偿法测量电动势的原理,以及使用电位差计的方法和技巧,从中还可受到正确使用精密仪器的训练。
[实验器材]
UJ31型低电势直流电位差计一台、检流计一台、标准电池一个、直流稳压电源一台、温差电偶一付、导线6根、温度计一个。
[实验原理]
1.热电偶测量温度的物理基础
由两种不同的金属或组份不同的合金构成回路,若两个接点A、B处于不同的温度t0和t,则回路中将有电流产生,这就是温差电现象,相应的电动势称为温差电动势。这两种金属(或组份不同的合金)所构成的回路称为热电偶。
温差电动势的大小除了和热电偶材料性质有关外,唯一决定的因素就是两个接触点的温度差(t-t0)。在一定的温度范围内,热电偶的温差电动势E与温度差的关系近于线性,即E=C(t-t i)。
2.电位差计的工作原理
UJ31型电位差计是采用补偿原理测量电动
势(或电压)的一种精密仪器,工作原理如图5-1
所示。其中R t、R N和具有滑点C点的电阻R AB均
是电位差计的构件。而由工作电源E、电阻R i(可
以调节)、R N及R AB串联而成的电路称辅助电路。
通过调节Rt可改变电路的工作电流。使用电位差
计,基本上可分为两个步骤掌握用万用电表测量
电流、电压、电阻的方法。
(1)校准将开关K与“1”接通,则标准电池
图5-1 电位差计原理
E N、检流计G与R N形成补偿电路(也称标准电路)。调节R t使辅助电路的工作电流I0为某值时,可使RN两端的电压与标准电池电动势E N相补偿,检流计中无电流通过,所示
E N=I0R N
即
I0=E N/R N
(2)测量将开关K与“2”接通,此时待测电压E N、检流计与电阻R AB中的一部分(即AC间电阻)构成补偿电路(称测量电路)。移动滑点C,使
I0R AC=E x
即检流计指零,则
E x=I0R AC=(E N/R N)X R AC
由转盘的位臵(即滑点C的位臵)指示R AC的电压值。在测量过程中,为了避免工作电源E不稳定所造成的影响,在每次测量前必须用上述标准电路校准工作电流。
[仪器介绍]
图5-2 UJ31型电位差计面板图
UJ31型直流电位差计就是根据上述原理设计的,它是一种低电动势直流电位差计,面板如图5-2所示。各端钮、旋钮及读数盘的用法说明如下:
(1)接线端有5组,分别接标准电池(“标准”端钮)、检流计(“检流计”端钮)、电位差计工作电源(“5.7-6.4V)以及待测电压(“未知1”、“未知2”端钮)。两组未知端钮可相继测量两个未知电动势(或电压)。
(2)由于标准电池的电动势随温度有微小变化,为了保证电位差计中有固定的工作电流,在实验时,电阻R N的数值必须随当时温度作相应的改变,在图5-2所示中,即以R S旋钮来代替R N调节,R S周围刻有标准电池不同的电动势值,范围为1.0176-1.0198V,根据公式5-1的值调节R S至相应的位臵。
(3)可变电阻“粗”、“中”、“细”(即R t)用来调节辅助电路的工作电流。
(4)电阻RAB上AC间的电压是由3个读数转盘(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)的示值读得的,即当测量电路中RAC两端的电压与待测电动势补偿时,3个读数盘上所指示
的读数之和即为待测电动势或电位差;第三读数盘(Ⅲ)旁装有游标A,以提高读数精度。
(5)量程转换旋钮K1是用来改变测量回路中电流的,当K1指在“X1”时,测量范围为0-171mV,分度值为10μV(游标可指示到1μV);K1尚可位于“X1”与“X10”的中间“断”位,即断去工作电流。
(6)3个按钮开关表示“粗”、“细”、“短路”,当按下时检流计回路接通。不论校准或测量,在开始时均应按“粗”键,这时检流计串接1只保护电阻,以防止电路不平衡时流经检流计(或标准电池)的电流过大;当电路接近平衡时,则用“细”按钮,此时无保护电阻,可增加检测的灵敏度。如电路断开时,检流计光标在零两边不停地晃动,可在光标经过零点时按下“短路”按钮(即为阻尼开关),使它停止晃动。
[实验步骤]
1.连接线路
(1)用下列公式计算出标准电池在室温下的电动势E,然后把温度补偿盘R S旋至对应位臵。
Et≈E20-[4×10-5×(t-20)+10-6×(t-20)×2] V
式中:E20为室内温度在20℃时的标准电动势值为1.0186V,t为使用时的实际温度(℃)。
(2)把转换开关K1臵于“×1”位臵,测量选择开关K2臵于“断”的位臵。
(3)把标准电池、电源、检流计连接仪器对应的位臵上(直流稳压电源调节到6V,检流计臵于“×1”档的位臵),注意正负极性一致,切忌短路。
2.调节工作电流(校准)
(1)把测量选择开关K2臵于“标准”位臵。
(2)依次调节R v1、R v2、R v3,使检流计为零(按钮开关不论校准或测量,在开始时均先按“粗”键,待检流计为零时,再按“细”键,待检流计再次为零时,即调节完毕)。
(3)依次调节Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,使检流计指示为零。
(4)在热水的温度下断降低的过程中,始终保持测量电路处于补偿状态。当温度差(等于热水温度)有一定的间隔时,从测量盘上读出温差电动势的值,记在表中。
[实验记录]
以温度差为横座标,温差电动势为纵座标绘制“温差-电动势”曲线。
误差分析:
电位差计测量电动势(或电位差)的误差可分为两部分:
(1)电位差计的基本误差。温度在15-25℃时仪器的允许基本误差为
|Δ|≤α%U x+b
式中α为准确度级别,U x为测量盘示值(V),b为常数,其值与量程、准确度级别有关。本实验用UJ31型电位差计的α=0.05,b=1.3X10-6(X10档),b=1.3X10-7(X1档)。
(2)由于人眼无法判断检流计光标位臵变化小1/10格时所引起的误差。此项误差可由电位差计的调节灵敏度求出。
[注意事项]
1.测量时,必须先接通辅助电路。断开时应先断开补偿电路,再断开辅助电路。开关K2在使用时应采用跃接法,因为标准电池使用时只允许短时间通过几微安电流。
2.标准电池和待测电池的正负极度一定不能接错。
3.测量时EN和Ex分两次补偿,非同时比较,必须满足I0不变的条件。所以在测量时两次时间间隔要尽量短,调零动作要快,指针指零后应马上打开测量开关。
[预习思考题]
(1)电位差计有哪几个回路?其作用如何?
(2)电位差计如何把电流校准到准确值的?
(3)测量时,是先接通辅助回路还是补偿回路?为什么?测量完毕其关断回路的顺序又将如何?
(4)在校准工作电流时,如果发现调节R t时检流计总是往一边偏转,无法调到平衡位臵,试分析在实际接线中可能存在着的错误和隐患。