用补偿法测量电流电压及电阻docxWord格式.docx
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VAC'
RAC
ES
RAC'
Ex
即:
Ex
RACES
(3-3-1)
测量支路中无电流流过,
那么Es或Ex就是它们的电动势,由此可知电压补偿法测量电
动势或电位差时比一般电表法更为准确。
由图3-3-1
可知,用补偿法测电动势时,需一个标
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准电池(标准电动势)作为标准比较。
标准电池的电动势比较稳定,精度比较高。
图中R限
起调节工作电流的作用,工作电流越大,分压电阻R上单位电阻上的电压降越大;
工作电流
越小,分压电阻上单位电阻上的电压降越小,表示测量精度越高。
检流计G灵敏度越高,测量精度越高。
下面介绍两种常用的电位差计的基本原理。
一、线式电位差计基本原理
如图3-3-2
所示,按通K1后,有电流I通过电阻丝AB,并在电阻丝上产生电压降IR。
如果再接通K2,可能出现三种情况:
1.
当Ex
VCD时,G中有自右向左流动的电流(指针偏向右侧)
。
2.
VCD时,G中有自左向右流动的电流(指针偏向左侧)
3.
VCD时,G中无电流,指针不偏转。
将这种情形称为电位差计处于补偿状态,
或者说待测电路得到了补偿。
在补偿状态时,ExIRCD。
设每单位长度电阻丝的电阻为r0,CD段电阻丝的长度为Lx,于是
Ir0Lx
(3-3-2)
将保持可变电阻
Rn及稳压电源E输出电压不变,即保持工作电流
I不变,再用一个电
动势为Es的标准电池替换图中的
Ex,适当地将C、D的位置调至C'
、D'
,同样可使检流
计G的指针不偏转,达到补偿状态。
设这时
C'
D'
段电阻丝的长度为
Ls,则
Es
IRC'
Ir0Ls
(3-3-3)
将上两式比较得到
E
Lx
s
(3-3-4)
x
Ls
(3-3-4)式表明,待测电池的电动势Ex
可用标准电池的电动势
Es和在同一工
作电流下电位差计处于补偿状态时测得
的Lx和Ls值来确定。
可见电位差计测量的结果仅仅依赖于准确度极高的标准
电池、标准电阻(或均匀电阻丝)以及
高灵敏度的检流计,测量准确度可达到
0.01%或更高。
二、UJ-31型电位差计基本原理
图3-3-2
粗
中
细
2
-I0
①
Rx
RN
G
②③
上图3-3-3是UJ31型电位差计的原理简图。
UJ-31型电位差计是一种测量直流低电位
差的仪器,量程分为
17mV(最小分度
1μV,倍率开关
K1旋至×
1)和170mV(最小分度10
μV,倍率开关旋到×
10)两档。
该电路共有
3个回路组成:
①工作回路②校准回路③测量
回路。
(1)校准:
为了得到一个已知的“标准”工作电流
I0=10mA。
将开关
S合向“标准”
处,ES为标准电动势,取值范围为1.0178~1.0190V,RN=101.78
,RpN为12个0.01Ω
的电阻,对应“粗”“中”“细”三个旋钮,调节这三个电阻旋钮使检流计
G指零,显然
I0
mA
(3-3-5)
RpN
10.0000
(2)测量:
将开关S合向“未知”测量处,
Ex是未知待测电动势。
保持
I0=10mA,调
节Rx使检流计G指零,则有
ExI0Rx
(3-3-6)
被测电压Ex与补偿电压极性相反、大小相等,因而相互补偿(平衡)。
这种测量未知电压的方式叫“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,它将被测电压UX和一标准电动势接近于直接加以并
列比较。
UX的值仅取决于电阻比及标准电动势,因而能够达到较高的测量准确度。
②上述“校准”和“测量”两步骤中,检流计两次均指零,表明测量时既不从标准回
路内的标准电动势源(通常用标准电池)中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,标准电阻的内阻及被测回路等效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。
【实验内容】
一、用滑线式电位差计测量电池的电动势
1.按图3-3-5接好线路,A、B两端为11线电阻丝的两端,即将11线电阻丝全部串联在工作回路中,将限流电阻Rn调至40Ω左右。
接通K1,工作回路有电流流过,工作电路的电流大小由工作电源
E、11m电阻丝的电
阻以及Rn决定。
E及11m电阻丝是选定了的,主要靠调节
Rn控制工作电流;
工作
电源E的电动势要大于标准电池或待测电池的电动势。
将K2倒向标准电池Es一侧,插头C选在67m段电阻丝插孔,D在米尺电阻丝上滑
-3
动,有米尺读数,找出平衡点,读出平衡时DSCS电阻丝的长度LS,记录下来。
4.将K2倒向待测电池Ex方向,选定插头C的位置,调节滑动头D,找出平衡点,读
取平衡时电阻丝DXCX的长度LX,记录于表中。
5.由公式(3-3-4)计算待测电池电动势。
6.如果要测量甲电池的内阻,如何测量?
二、用UJ-31型电位差计校准微安表和测量其内阻
图3-3-4
1.按图3-3-4接好线路。
图中,EN为标准电池,G为检流计,E为工作电源(要
求其工作电压在5.7~6.4V范围内),Ex为待测电路的电源;
R为降压电阻箱,RS
为标准电阻100Ω。
2.UJ-31的校准
(1)将UJ-31上的操作开关K2置“断”位置。
先调好检流计光点为零,选择光电检流计为×
0.01档。
(2)根据当时温度计算标准电池的电动势,将温度补偿盘RN置于此值。
(3)将K2调至“标准”,量程变换开关K1调至×
10档。
(4)跃接电键“粗”按钮,调节工作电流调节电阻Rp1(粗)、Rp2(中)、Rp3(细),
使检流计指示为零。
检流计如指示摆动太大太快,应立即松开按钮、并注意使用“短路”按钮,以保护检流计。
(5)逐步将检流计换为×
0.1档,×
1档,重复(4)的步骤。
(6)最好按“细”按钮,检流计放在×
1档,调节粗、中、细电阻调节旋钮使检流
计指示为零,表示已校准好UJ-31,即工作电流已校准为10.0000mA。
3.校准微安表并测表头内阻
(1)温度补偿盘RN不动,电流调节电阻Rp1(粗)、Rp2(中)、Rp3(细)不动,
-4
将K1调到×
1档,K2调到”未知1”,检流计调到×
0.01档,按“粗”按钮,调节电阻盘I、II、III,使检流计指示为零。
(2)逐步将检流计换成×
0.1、×
1档,调节I、II、III使检流计指示为零。
(3)按“细”按钮,在检流计
×
1档时,调节I、II、III使检流计指示为零。
记下此
时I、II、III的读数。
从而得到:
V未知1(I1
II0.1
III0.001)K1(mV)
(4)将K2拨到“未知
2”,K1拨到×
10档,按测未知1的方法测出未知2。
然后根据公
式V未知1
V未知2得出微安表的内阻
RA。
RS
RA
(5)依次将微安表电流调至100μA,80μA,60μA,40μA,20μA,校准微安表,列表记
录。
【数据处理】
测量次数电阻丝长度LS电阻丝长度LX待测电动势ExEx
1
3
4
5
6
二、用UJ-31
型电位差计校准微安表和测量其内阻
微安表
通过微安表的实
读数(μA)
V未知1
差值
际电流(μA)
100
80
60
40
20
【预习思考】
1.为什么用电位差计可直接测电源的电动势?
能否用伏特表测电动势?
若可测,写出
测量方法。
2.检流计始终无偏转可能是什么原因?
3.滑线式电位差计对测量范围有何限制?
4.使用光电式检流计要注意什么事项?
5.标准电阻应如何接入到电路中?
-5
【习题】
1.如果阻的阻每米5Ω,E=3V,准池Es=1V,待池Ex=1.5V左右,限流阻Rn如何取?
2.无如何滑滑位差上的滑C,流始朝一个方向偏,可能是何原因?
3.如果工作源的E比待池Ex小,能否做?
什么?
4.能否用UJ-31型位差来直接量甲池的?
5.在校准UJ-31位差的程中,尽管流阻RpN从最大到最小,却
仍然找不到平衡状。
:
此故障有哪三种可能的原因?
【附录】
1.十一式位差
十一式位差具有构、直、便于分析等点,其构如3-3-2
所示。
阻AB5.5m,往复在
有机玻璃板的11个接插柱上,每
相两个接柱阻有效度
0.5m。
插C可接在0,1⋯⋯10
中任一个位置。
阻BO旁附有
毫米刻度的米尺,触
D在它上
面滑。
CD的阻度可在
0~5.5m化。
Rn可阻
箱,用来工作流。
开关
K2用来接通准池
Es或待
池Ex。
滑阻器R滑是用来保
准池和流的,
在位差
3-3-5
未于状,必到最大,
在位差于状行数,到最小,以提高量的灵敏度。
2.UJ-31型低直流位差
A.UJ-31型低直流位差面板分布
-6
图3-3-6
1.五组接线端钮(标准、检流计、工作电源接入端、未知
1、未知2);
2.标准电池电动势的温度补偿盘
RN;
3.工作电流调节电阻盘
RpN(分为Rp1、Rp2、Rp3);
4.测量调节电阻盘Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,其中第Ⅲ盘带有游标尺
A;
5.电位差计量程变换开关
K1
;
6.标准回路和测量回路的转换开关K2;
7.电键按钮(“粗”、“细”、“短路”)。
UJ-31型电位差计使用的电源是5.7~6.4V的直流电源,其工作电流为10mA.它的三
个工作电流调节盘中,第一个盘(Rp1)是16点步进的转换开关,第二盘(Rp2)和第三盘
(Rp3)均为滑线盘。
标准电池电动势温度补偿盘RN的补偿范围为1.0180~1.0196V。
该仪器有两个测量端,通过转换开关K2可接通“未知1”或“未知2”或“标准电池”。
在它的三个测量调节电阻盘中,第Ⅰ测量盘是16点步进转换式开关,第Ⅱ测量盘是10点步
进转换式开关,第Ⅲ测量盘是滑线盘;
测量盘的电阻值已转换成电压刻度标在了仪器面板
上。
该仪器的量程变换开关
K1有两档:
在“×
1”档,测量范围是
0~17.1mV,测量盘的
最小分度值为1μV,游标尺的分度值为0.1μV;
在“×
10”档,测量范围是
0~171mV,
测量盘的最小分度值为
10μV,游标尺的分度值为1μV。
B.UJ-31型低电势直流电位差计内部结构图
-7
图3-3-7
3.AC15/4型直流复射式检流计
它是一种磁电式高灵敏度仪表,采用光点复射式(光标多次
反射再投射到刻度尺上)读数,故又叫光点检流计。
其分度值约
5×
10-9A/分度,用来测量微小电流(10-7~10-9A)或微小电压(10-5~10-7V),如光电流、生物电流及温差电动势等,也
常作为电桥和电位差计的零指示器,以提高测量的准确度。
仪器面板如图所示。
使用方法及注意事项:
A.移动检流计或使用完毕时,“分流器”均应置于“短路”档;
因线圈的金属悬丝很细、易断,切忌摇晃、震动,操作时动作一定要轻。
B.供电有交流220V和直流6V两种方式,实验室接220V电源,不得插错;
面板“电
源”开关扳向所选择的供电方式;
一般电流由“+”流入检流计时,光标向右偏。
C.使用前要调零:
先调节“零点调节”,使光标中线指在中间“0左”右,然后移动标尺上的金属小柱使光标精确指“0”。
D.找不到光点时,可将“分流器”旋钮旋至“直接”;
当光标摆动不停时,可旋向“短路”,使检流计受到阻尼而停止摆动。
E.“分流器”选择旋钮“×
0.01、“×
”0.、1”“×
等1”,其中“×
为1”灵敏度最高档,使用时,可先选最低档,调节后再换高灵敏档。
4.标准电池
标准电池是一种用来作电动势标准的原电池。
由于内电阻高,在充放电情况下会极化,
不能用它来供电。
当温度恒定时,它的电动势稳定。
在不同温度(0~40℃)时标准电池的
电动势Es(t)应按下述公式修正:
Es(t)Es(20)39.94106(t20)0.929106(t20)2
0.0090106(t20)3
其中Es(20)是20℃时标准电池的电动势,其值应根据所用标准电池的型号确定。
使用标准电池时要注意以下几点:
1.必须在温度波动小的情况下保存,应远离热源,避免太阳光直射。
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2.正负极不能接错,通入或取自标准电池的电流不能大于
105~106
A。
不允许将两
电极短路连接或用电压表去测量它的电动势。
3.标准电池内是装有化学物质溶液的玻璃容器,要防止振动和摔坏。
一般不倒置(容
器内加了微孔塞片的标准电池可防止因倒置而损坏)。
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