GT87-1 電位差計的應用

GT87-1型學生式電位差計使用說明書

主要用途：

學生式電位差計是按串聯代換式電位差計的電路設計的.其特點是線路簡明、原理清楚,非常適合大學、中專、中學的學生實驗.用它不僅可以直接測量電源電動勢、溫差電動勢,而且配用標準電阻箱後還可以用來測量直流電流和電阻等.

主要特性：

1、本電位差計基本誤差為±0.2%(以滿度值計算);

2、本電位差計的工作電流為5.5毫安;

3、本電位差計有「×1」和「×0.1」二檔倍率;

「       ×1」檔的測量上限為1.710伏,最小分度為0.0001伏;

「       ×0.1」檔的測量上限為171.0毫伏,最小分度為0.01毫伏.

4、本電位差計可以在溫度0～+35℃,相對溼度不大於80％環境中使用.

5、本電位差計的工作電源為2.8～3.2伏,可直接用直流穩壓源或甲電池.此時電源迴路的工作電流調節可採用「內接R」,當採用4～6伏直流穩壓源時可採用外接電阻箱作工作電流調節.

 

一、概述

電位差計是通過將被測電壓與內部已知的補償電壓進行比較來測定未知電壓或未知電源電動勢.當補償電壓和被測電壓平衡時,本電位差計既不從被測電路中獲取電流,也不會給出電流,從而保證了被測電路的狀態不變.這正是補償法測量的優點和特點.電位差計被廣泛地應用在計量工作和其它精密測量中.通過學生式電位差計實驗,可以了解電位差計的基本原理、結構和使用方法.

 

二、電位補償原理

用電壓表不能準確地測電動勢.電壓表可以測量電路各部分的電壓,但不能測量具有內阻的電源的電動勢.因為電壓表並聯在電源的兩端時(圖1),根據閉合歐姆定律可知,電壓表的指示是此時電源的端電壓,而不是它的電動勢

圖中：V=E-Ir

E—電源電動勢; r—電源內阻;I—迴路中電流;V—電壓表指示數;

電壓表的指示數V ,表示電源的端電壓;Ir為電源內阻上的電壓降.由於電源內阻是未知的,因此由上式不能根據V的值準確確定電源的電動勢.

圖1

圖2

圖2是將被測電動勢的電源Ex與一已知電動勢的電源E_O「+」端對「+」端,「-」端對「-」端地聯成一迴路,在電路中串聯檢流計「G」,若兩電源電動勢不相等,即E_x≠E₀,迴路中必有電流,檢流計指針偏轉;如果電動勢E₀可調並已知,那麼改變E_O的大小,使電路滿足E_X=E₀,則迴路中沒有電流,檢流計指示為零,這時待測電動勢E_X得到己知電動勢E₀的完全補償.可以根據已知電動勢值E₀定出E_X,這種方法叫補償法.如果要測任一電路中兩點之間的電壓,只需將待測電壓兩端點接入

上述補償迴路代替Ex,根據補償原理就可以測出它的大小.我們知道,用電壓表測量電壓時,總要從被測電路上分出一部分電流,從而改變了被測電路的狀態,用補償法測電壓時,補償電路中沒有電流,所以不影響被測電路的狀態.這是補償測量法最大的優點和特點.

三、電位差計

按電壓補償原理構成的測量電動勢的儀器稱為電位差計.由上述補償原理可知,採用補償法測量電動勢對E₀應有兩點要求：(1)可調.能使E₀和E_X補償.(2)精確.能方便而準確地讀出補償電壓E₀大小,數值要穩定.

是實現補償法測電動勢的原理線路,即電位差計的 原理圖.採用精密電阻Rab組成分壓器,再用電壓穩定的電源E和限流電阻R串聯後向它供電.只要 Rcd 和I₀數值精確,則圖中虛線內cd之間的電壓即為精確的可調補償電壓E₀,E₀和E_X組成的迴路cdGE_X稱為補償迴路.

圖3

四、電位差計的標準

要想使迴路的工作電流等於設計時規定的標準值I₀,必須對電位差計進行校準.方法如圖4所示.E_S是已知的標準電動勢,根據它的大小,取cd間電阻為Rcd,使Rcd=ES/I₀,將開關K倒向E_S,調節R使檢流計指針無偏轉,電路達到補償,這時I₀滿足關係I₀= ES/Rcd,由於已知的E_S、Rcd都相當準確,所以I₀就被精確地校準到標準值,要注意測量時R不可再調,否則工作電流不再等於I₀.

圖4

五、測量未知電動勢E_X

在圖4中,將開關K倒向E_X,保持R不變即I₀不變,只要E_X≤I_ORab,調節c、d就一定能找到一個位置,使檢流計再次無偏轉,這時c、d間的電阻為RX,電壓為E_X = I₀R_X,因為實際的電位差計上都是把電阻的數值轉換成電壓數值標在電位差計上,所以可由表面刻度直接讀出EX=I₀R_X的數值.
    如果要測量任意電路中兩點之間的電位差,只需將待測兩點接入電路取代E_X即可,此時需注意,這兩點中高電位的一點應替換E_X的正極,低的替換負極.
    電位差計是用補償法測電動勢的儀器,除了具有一般比較法的優點外,在通過補償電路將未知電動勢E_X與補償電壓E_O比較時,不從E_X取用電流,也不向E_X輸人電流,因而待測電源可不受測量幹擾而保持原態,這稱為原位測量,電位差計的優點可以這樣來表達：
    (1)「內阻」高,不影響待測電路,用電壓表測量未知電壓時總要從被測電路上分出一部分電流,這就改變被測電路的工作狀態,電壓表內阻越小,這種影響越顯著,用電位差計測量時,補償迴路中電流為零,可測出電路被測兩端的真正電壓.
    (2)準確度.由於電阻Rab可以做得很精密,標準電池的電動勢精確且穩定,檢流計足夠靈敏,所以在補償的條件下能提供相當準 確的補償電壓,在計量工作中常用電位差計來校準電錶.
    值得注意的是電位差計在測量的過程中,其工作條件會發生變化(如迴路電源E不穩定,限流電阻R不穩定等),為保證電流保持規定的數值,每次測量都必須經過校準和測量兩個基本步驟,兩個基本步驟的間隔時間不能過長,而且每次要達到補償都要細緻的調節,因此操作繁雜,費時.

六、學生式電位差計

學生式電位差計內部電路如圖5虛線內所示,電阻R_A、R_B、R_C相當於圖4中的電阻Rab,可見B_A+和R-兩個接頭相應於圖4的ba兩點,E-E+兩個接頭則相應於c、d兩點.R_A全電阻是320歐姆,分16檔,每檔20歐姆;R_B全電阻是20歐姆,分1₀檔,每檔2歐姆電阻;R_C為滑線盤電阻,電阻值為2.2歐姆.R_B電阻在測量時,會隨測量檔的變化而變化,這勢必引起如圖4中a、b間電阻變化,破壞了工作電流I_O的不變的規定.為此,引入R_B』所謂的替代電阻.R_B和R_B』同軸變化.當RB每增加一檔電阻時,RB』則減少一檔電阻,反之亦然.保證R_B不論處於哪一檔,R_B+ R_B』=20Ω不變,確保圖4中a、b間總電阻值不變.為了實施量程變換,在產生測量補償電壓支路上並聯了一條分流支路.當×1時,流過測量補償電壓支路的電流為5mA,分流支路電流為0.5 mA;當×0.1時,流過補償電壓支路電流為0.5 mA,流過分流支路電流5mA.顯然,後者量程由於電流減少到十分之一,量程也變小十分之一.

圖5

使用學生電位差計時,必須加接外電路,如圖5所示.而R_A、R_B、R_C(由c到d)和外電路的檢流計G、保護電阻R_b等組成補償迴路.K₁為電源開關,K₂可保持E_S和E_X相互迅速替換,K₃作檢流計的開關,R_b是可變電阻箱,用以保護檢流計和標準電池.

圖6

學生式電位差計的外電路所需配套件,除了電源E、標準電池和R_b可變電阻箱要外配外,其它均已安裝在同一木箱內,各部分之間連接導線也成套供應.

七、實驗內容

本實驗內容是根據中央廣播電視大學物理組編寫的「普通物理學實驗講義」中所規定的實驗要求而編寫的,簡單說明如下：
    1、校準學生式電位差計(稱校準)
    使用電位差計之前,先要進行校準,使電流達到規定值.先放好R_A、R_B和R_C,使其電壓刻度等於標準電池電動勢,取掉檢流計上短路線,用所附導線將K₁、K₂、K₃、G、R、R_b和電位差計等各相應端鈕間按原理線路圖進行連接,經反覆檢查無誤後,接入工作電源E,標準電池E_S和待測電動勢E_X,R_b先取電阻箱的最大值,(使用時如果檢流計不穩定,可將其值調小,直到檢流計穩定為止),合上K₁、K₃,將K₂推向E_S(間歇使用),並同時調節R,使檢流計無偏轉(指零),為了增加檢流計靈敏度,應逐步減少R_b,如此反覆開、合K₂ ,確認檢流計中無電流流過時,則I_O已達到規定值.

2、測量電池電動勢(稱測量)

按待測電動勢的近似值放好R_A、R_B、R_C,R_b先取最大值,K₂推向E_X並同時調電位差計R_A、R_B、R_C和R_b使檢流計無偏轉(在測E_X的步驟中R不能變動)此時R_A、R_B和R_C顯示的讀數值即為E_X值,測盤結束應打開K₁、K₂、K₃.

重複「校準」與「測量」兩個步驟.共對E_X測量三次,取E_X的平均值作為測量結果.
3、測量電池的內阻
a、打開K₂、K₃將圖5中E_X換成圖7所示線路,其餘部分不變,R』為電阻箱.
b、同上述測量步驟,合上K4測得R』,兩端電壓E』.

由

化簡得

式中：    r—電池內阻,Ω;

         E_X—電池電動勢,V;

         E』— K₄合上時端電壓,V;

         R』—與電池並聯的電阻箱阻值,Ω.

R』已知,只要分別測出當開關K4打開和合上時ab兩端的電壓E_X和E 』,然後代入公式可求得電池內阻.

八、注意事項

1、隨產品的七根連線為圖5中的粗線部分,當進行「校準」時取掉短路線,不使用本儀器時,檢流計一定要短路, 否則檢

流計處於開路狀態.

2、使用電位差計必須先接通其他電路,然後再接補償迴路,斷電時須先斷開補償迴路,再斷開其他電路.

3、標準電池只能短時間通過1μA左右的電流,否則將影響標準電池的精度直到造成永久性電動勢衰落.所以,校準中要注意選用「R_b」,使用K₂要短促,以保護標準電池,不能用伏特計測它的電動勢,要防止標準電池震動.

圖7

待測電池不能供給大電流,所以測其內阻時R』值不能太小.應先定好R』=100Ω再接入路.

實驗中只在測量E 』時才合上開關K4,測量完畢立即斷開,以免乾電池放電過多.

九、與本實驗共同使用的儀器(另行定貨)

1、R_b可變電阻箱——ZX21a型直流電阻器,準確度0.1級,測量範圍0～111111歐姆.

2、E_S標準電池——BC2型可攜式飽和標準電池,準確度0.005級,實際值：1.01855～1.01868伏.

十、成套性

1、GT87-1型學生式電位差計             1臺

2、使用說明書                         1本

3、產品合格證                         1份

4、測試連接線                         8根

在用戶遵守保管和使用規則的條件下,從製造廠發貨日起12個月內,因產品質量不良或不能正常工作時,本廠無償為用戶修理.