FB322十一线电位差计实验讲义(09版)

用新型十一线电位差计测量电动势

电位差计是通过与标准电势源（一般为饱和型或不饱和型标准电池）的电压进行比较来测定未知电动势的仪器。由于电路设计中采用补偿法原理，使被测电路在实际测量时通过的电流为零，从而可以达到非常高的测量准确度。电位差计被广泛地应用在计量和其它精密测量中。虽然随着科学技术的进步，高内阻、高灵敏度的仪表的不断出现，在许多测量场合都可以由新型仪表逐步取代电位差计的作用，但电位差计这一典型的物理实验仪器，采用的补偿法原理是一种十分可贵的实验方法和手段。它不仅在历史上有着十分重要的意义，至今仍然是值得借鉴的好方法。325FB 新型十一线电位差计是在传统的板式十一线电位差计基础上加以改进的实验仪器，它具有体积小、直观、实验原理清楚、不容易损坏等特点，而322FB 电位差计实验仪是325FB 新型十一线电位差计的配套仪器，它提供有十一线电位差计工作所需的工作电源、标准电动势、检流计及待测电动势（二种），也可以配用于传统的板式十一线电位差计，设计合理、紧凑并使用方便。

【实验目的】

1. 学习“补偿法” 在实验中的应用。

2. 掌握电位差计的工作原理及其进行测量的基本方法。

3. 学习对实验电路参数的估算及校准的方法。

【实验仪器】

322FB 电位差计实验仪、325FB 型新型十一线电位差计。

【实验原理】

1.补偿法原理 ：

补偿法是一种准确测量电动势（电压）的有效方法。如图1所

示，设0E 为一连续可调的标准电源电动势（电压），而X E 为待测

电动势，调节0E 使检流计G 示零（即回路电流0=I ），则

0E E X = 。

上述过程的实质是，不断地用已知标准电动势（电压）与待测的电动势（电压）进行比较，当检流计指示电路中的电流

为零时，电路达到平衡补偿状态，此时被测电动势与标准电动势

相等，这种方法称为补偿法 。这和用一把标准的米尺来与被测物体（长度）进行比较，测出其长度的基本思想一样。但其比较判别的手段有所不同，补偿法用示值为零来判定 。 但电动势连续可调的标准电源很难找到，那么怎样才能简单地获得连续可调的标准电动势（电压）呢？简单的设想是：让一阻值连续可调的标准电阻上

流过一恒定的工作电流，则该电阻两端的电压便可作为连续可

调的标准电动势。

2．电位差计原理 ：

电位差计就是一种根据补偿法思想设计的测量电动势（电

压）的仪器。

图2是一种直流电位差计的原理简图。它由三个基本回路

构成：①工作电流调节回路，由工作电源E 、限流电阻P R 、标

准电阻N R 和X R 组成；②校准回路，由标准电池N E 、平衡指

① ② ③

示仪G 、标准电阻N R 组成；③测量回路，由待测电动势X E ，检流计G ,标准电阻X R 组成。通过测量未知电动势X E 的两个操作步骤，可以清楚地了解电位差计的原理。

（1）“校准”：图中开关K 拨向标准电动势N E 侧，取N R 为一预定值（对应标准电势值V I R E N N 0186.10=⨯=），调节P R 使平衡指示仪G 示零，使工作电流回路内的

X R 中流过一个已知的“标准”电流0I ，且N N R E I =

0。 （2）“测量”：将开关K 拨向未知电动势X E 一侧，保持0I 不变，调节滑动触头B ，使检流计示零，则N N

X X X E R R R I E =∙=0。被测电压与补偿电压极性相顶且大小相等，因而互相补偿（平衡）。这种测X E 的方法叫补偿法。补偿法具有以下优点：

① 电位差计是一电阻分压装置，它将被测电动势X E 和一标准电动势直接比较。X

E 的值仅取决于N X R R 及N E ，因而测量准确度较高。

② 在上述“校准”和“测量”两个步骤中，平衡指示仪两次示零，表明测量时既不从校准回路内的标准电动势源中吸取电流，也不从测量回路中吸取电流。因此，不改变被测回路的原有状态及电压等参量，同时可避免测量回路导线电阻及标准电势的内阻等对测量准确度的影响，这是补偿法测量准确度较高的另一个原因。

3.十一线电位差计工作原理 ：

十一线电位差计是一种教学型电位差计，由于它是解剖式结构，十分有利于学习和掌握电位差计的工作原理，培养看图接线、排除故障的能力。如图3所示，X E 为待测电动势，N E 为标准电池。可调稳压电源E 、与长度为L 的电阻丝AB 为一串联电路，工作电流P I 在电阻丝AB 上产生电位差。触点C D ,可在电阻丝上任意移动，因此可得到相应改变的电位差DC U 。

合上3 ,2 ,1K K K 向上合到N E 处，调节可调工作电源E ，改变工作电流P I 或改变触点C D ,位置，可使检流计G 指零，此时DC U 与N E 达到补偿状态。则：

S D C P D C N L A L r I U E ∙=∙∙==01 （1）

式中0r 为单位长度电阻丝的电阻，S L 为电阻丝DC 段的长度，A 为单位长度电阻丝上的电压降。

工作电流P I 保持不变，2K 向下合到X E 处，即用X E 代替N E ，调节触点C D ,的位置，使电路再次达到补偿，此时若电阻丝长度为X L ，则：

X X o P X L A L r I E ∙=∙∙= （2）

为了实验方便，一般都选定单位长度电阻丝上的电位差A 为一简单的数字，并根据标准电池N E 的数值，由S N L A E ∙= ，计算出S L 的长度。然后将触点C D ,移至S L 的长度位置上，调节可调工作电源，改变工作电流P I 使电路补偿，此时单位长度电阻丝上的电位差A 值等于选定值。这一步骤称为工作电流标准化，或称为电位差计定标，A 称为标准化系数，单位为m V / 。定标后，测量X E 时，只要测得X L （即C D ,长度），就可求出X E 的大小。在科学实验中，对某种量进行精确的测量，常需要用标准件来比较、定标。本实验的定标体现在用标准电池（或标准电势源）来进行电位差计工作电流的标准化。

【实验内容】

用322FB 型电位差计实验仪及325FB 型新型十一线电位差计组合来测定1#干电池的电动势。

322FB 型电位差计实验仪是取代老式十一线电位差计的实验装置，它把除十一线实验板以外的全部部件组装在一起，见图4左。

325FB 型新型十一线电位差计是取代老式十一线电位差计实验板的实验装置，其中的十根电阻线分别绕在10根有机玻璃棒上，每根电阻线等价于老式实验板的一米电阻线，第十一根电阻线改为圆盘式电阻器，其电阻值等价于一根电阻线。每根电阻线的电阻值等于Ω10，总电阻为Ω110。调节C 接点，长度调节范围：m 00.10~0，调节步长m 00.1。调节D 接点，长度调节范围：mm 1000~0，调节步长mm 1（配合刻度盘游标）。

见图4右。