补偿原理测电动势

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。