直流电位差计测电动势

实验三、直流电位差计测电动势

【实验目的】

1、掌握电位差计的工作原理和结构特点。

2、学习电位差计测量电池的电动势和内阻。

【实验仪器】

直流电位差计实验仪、滑线式十一线电位差计、导线

【实验原理】

1、补偿原理

补偿原理就是利用一个电压或电动势去抵消另一个电压或电动势，其原理可用图1来说明。En为可调标准电源，中间串联一个检流计G

接成闭合回路。如果要测电源Ex的电动势，可通过调节

电源En，电路没有电流，此时表明Ex?En，这时电路处

于补偿状态。若已知补偿状态下En 的大小，就可确定Ex，

这种利用补偿原理测电位差的方法叫补偿法。

2、电位差计原理

直流电位差计测电动势

图1 补偿法

直流电位差计测电动势

图2 定标图3 测量未知电动势

根据补偿法测量电位差的实验装置称为电位差计，其测量原理可分别用图2和图3来说明。图2为电位差计定标原理图，其中ABCD为工作回路，由电源E、限流电阻R、均匀电阻丝AB串联成一闭合回路。电阻箱R用来调节回路工作电流I的大小，通过调节I可以调整每单位长度电阻丝上电位差的大小，M、N为电阻丝AB上的两个活动触点，可以在电阻丝上移动，以便从AB上取适当的电位差来与测量支路上的电位差补偿，它相当于补偿电路图1中的En，提供了一个可变电源。

本实验采用滑线式十一线电位差计，电阻RAB是11m长均匀电阻丝。按图2连线，

移动滑动头M、N，使M、N之间的电阻为Rs，调节工作电路中的电阻R，使补偿回路

达到平衡，即流过检流计G的电流为零，此时Es?IRs;按图3连线，调节M’、N’之间

长度，使M’、N’点间的电位差等于待测电动势Ex，此时流过检流计G的电流为零，

直流电位差计测电动势

达

到补偿。设M’、N’点间电阻为Rx，则 Ex?IRx

可以得： Ex?其中

Esls

RxRs

Es?

lxls

EsEsls

的值可以通过调节电位差计工作电流来实现，称之为电阻丝长度上的电压

降。实验中先调整电位差计的工作电流就是定出电阻丝长度上的电压降，然后测出Ex得到补偿时电阻丝M’N’的长度lx，也就测出了待测电动势Ex的大小，这样电动势的测量就转化为长度的测量。

3、测量电池的内阻

如果电池的电动势为Ex，合上开关后电路中有电流I通过，则电池两端的电压为U,则有

Ex?UI

?Ex?UUR

?Ex?UU

图4 测电池的内阻

实验中可先测出Ex被补偿时电阻丝长度lx，然后再测出U被补偿时候的电阻丝长度，则有 l

直流电位差计测电动势

lx?lx

根据上式可以求出电池内阻r。实验内容

1定标。

将MN间长度Lmn固定在5.0930m,断开K3,合上K1，K2倒向Es。调整R使检流计大致无偏转，合上K3反复调R，直到检流计无偏转。此时单位长度的电压降A?0.2000V/m。

2测量两未知电动势Ex。

将K2倒向Ex，断开K3，调整MN间长度，使检流计大致指零，合上K3并反复调MN之间距离，直到检流计再次指零，记下此时Lmn，则待测电池电动势

Ex?ALmn。

3测量其中一种电池的内阻说明：电位差计的接线参考教材

第二篇：直流电位差计的原理和使用

直流电位差计的原理和使用

补偿法是电磁测量的一种基本方法。电位差计就是利用补偿原理来精确测量电动势或电位差的一种精密仪器。其突出优点是在测量电学量时，它不从被测量电路中吸取任何能量，也不影响被测电路的状态和参数，所以在计量工作和高精度测量中被广泛利用。电位差计又叫电位计，它有多种类型，其中十一线电位差计是一种教学仪器，它结构简单、直观性强，便于学习和掌握；而箱式电位差计是测量电位差的专用仪器，它使用方便、测量准确、稳定性好，在科学实验和工业生产中经常用到。

电位差计是电磁学测量中用来直接精密测量电动势或电位差的主要仪器之一。它用途很广泛，不但可以用来精确测量电动势、电压，与标准电阻配合还可以精确测量电流和电阻和功率等，还可以用来校准精密电表和直流电桥等直读式仪表，有些电器仪表厂则用它来确定产品的准确度和定标，而且在非电参量（如温度、压力、位移和速度等）的电测法中也占有极其重要的地位。它不仅被用于直流电路，也用于交流电路。因此在工业测量自动控制系统的电路中得到普遍的应用。

一、实验目的

1．学习和掌握电位差计的补偿工作原理、结构和特点。

2．学习用十一线式电位差计来测量未知电动势或电位差的方法和技巧。

3．培养学生正确连接电学实验线路、分析线路和实验过程中排除故障的能力。

二、实验仪器

1．直流电位差计实验仪，实验仪集成了4.5V直流稳压电源、1.0186V标准电动势、Ex1、

Ex2两个待测电动势、数字检流计G、0~999W可调变阻器（电阻箱）、保护电阻R_P等。

2．滑线式十一线电位差计。

三、实验原理

1．补偿原理

在直流电路中，电源电动势在数值上等于电源开路时两电极的端电压。因此，在测量时要

求没有电流通过电源，测得电源的端电压，即为电源的电动势。但是，如果直接用伏特表去测量电源的端电压，由于伏特表总要有电流通过，而电源具有内阻，因而不能得到准确的电动势数值，所测得的电位差值总是小于电位差真值。为了准确的测量电位差，必须使分流到测量支路上的电流等于零，直流电位差计就是为了满足这个要求而设计的。

补偿原理就是利用一个电压或电动势去抵消另一个电压或电动势，其原理可用图（1）来说明。两个电源En和正极对正极、负极对负极，其中En为可调标准电源电动势，为待测电源电动势，中间串联一个检流计G接成闭合回路。如果要测电源的电动势，可通过调节电源En ，使检流计读数为0，电路中没有电流，此时表明，两端的电位差和En两端的电位差相互补偿，这时电路处于补偿状态。若已知补偿状态下En 的大小，就可确定，这种利用补偿原理测电位差的方法称为补偿法，该电路称为补偿电路。由上可知，为了测量，关键在于如何获得可调节的标准电源，并要求这电源：（1）便于调节；（2）稳定性好，能够迅速读出其准确的数值。

图（1）补偿原理

2．电位差计原理

根据补偿法测量电位差的实验装置称为电位差计，其测量原理可分别用图（2）和图（3）来说明。图（2）为电位差计定标原理图，其中ABCD为辅助工作回路，由电源E、限流电阻R、十一米长粗细均匀电阻丝AB串联成一闭合回路；MN为补偿电路，由待测电源En和检流计G组成。电阻箱R用来调节回路工作电流I的大小，通过调节I可以调整每单位长度电阻丝上电位差Vo的大小，M、N为电阻丝AB上的两个活动触点，可以在电阻丝上移动，以便从AB上取适当的电位差来与测量支路上的电位差补偿，它相当于补偿电路（1）图中的En，提供了一个可变电源。当回路接通时，根据欧姆定律可知，电阻丝AB上任意两点间的电压与两点间的距离成正比。因此，可以改变MN的间距，使检流计G读数为0，此时MN两点间的电压就等于待测电动势。要测量电动势（电位差），必须分两步进行：

(1) 定标

利用标准电源高精确度的特点，使得工作回路中的电流I能准确地达到某一标定值，

这一调整过程叫电位差计的定标。

图（2）电位差计定标原理图

本实验采用滑线式十一线电位差计，电阻是11m长粗细均匀电阻丝。根据定标原则，按图（2）连线，移动滑动触头M、N，将M、N之间的长度固定在上，调节工作电路中的电阻R，使补偿回路中的定标回路达到平衡，即流过检流计G的电流为零，此时：

在工作过程中，ABCD中工作电流保持不变，因电阻是均匀电阻丝，令

（1）

那么有（2）

很明显是电阻丝上单位长度的电压降，称为工作电流标准化系数，单位是V/m。在实际操作中，只要确定，也就完成了定标过程。

由（2）式可知，当保持不变时（即ABCD中工作电流保持不变），可以用电阻丝MN两点间的长度（力学量）来反映待测电动势（电学量）的大小。为此，必须确定的数

值。为使读数方便起见，取为0.1或0.2，……1.0V/m等数值。由于，而且电阻丝阻

值稳定，所以只有调节ABCD中工作电流的大小，才能得到所需的值，这一过程通常称作“工作电流标准化”。

（2）测量

测量待测电动势的过程与工作电流标准化的过程正好相反。

当上面定标结束后，按图3连线，调节M’、N’之间长度，使M’、N’两点间电位差等于待测电动势，达到补偿，此时流过检流计G的电流为零。即

图3 电位差计测量原理图

结合式（2）得

（3）

下面用例子说明定标和测量过程，标准电源，取。

定标：为了保证单位长度上的电压降，则要使电位差计平衡的电阻

丝长度，调节限流电阻R使，即检流计G的电流为0，此时上的单位长度电压降就是0.10000V/m了。

测量：经过定标的电位差计就可用来测量待测电位差，调节，使和达到补偿，即

若，（V）

3．电位差计的优缺点

十一线电位差计测量的准确度主要取决于下列因素：

(1) 十一米电阻丝每段长度的准确性和粗细的均匀性；

(2) 标准电源的准确度；

(3) 检流计的灵敏度；

(4) 工作电流的稳定性。

用电位差计测量电位差具有下述优点：

（1）准确度高，仅依赖于标准电阻、检流计、标准电源，因为本实验仪精密电阻丝很均匀准确，标准电源的电动势准确稳定，检流计很灵敏，而且是数字式，读数方便，故可作为标准仪器来校验电表。

（2）测量范围宽广，灵敏度高，可测量小电压或电压的微小变化。

（3）“内阻”高，不影响待测电路。它避免了伏特计测量电位差时总要从被测电路上分流的缺点。由于采用电位补偿原理，测量时不影响待测电路的原来状态。用伏特表测量电压时总要从被测电路上分出一部分电流，从而改变了待测电路的原来状态，伏特表内阻越低，这种影响就越大。而用电位差计测量时，补偿回路中电流为零（当然不是绝对的，检流计灵敏度越高，越接近于零），对待测电路的影响可以忽略不计。

缺点：

电位差计在测量过程中，其工作条件易发生变化（如辅助回路电源E不稳定、可变电阻R变化等），所以测量时为保证工作电流标准化，每次测量都必须经过定标和测量两个基本步骤，且每次达到补偿都要进行细致的调节，所以操作繁琐、费时。

四．仪器介绍

本实验利用的是十一线电位差计，如图4所示，它具有结构简单、直观、便于分析讨论等优点，适宜学生用来做实验。其中电阻丝AB长11m，往复绕在木板的十一个接线插孔1、2、…、11上，每两个插孔间电阻丝长为1m，插头M可选插入孔1、2、…、11中任一孔，电阻丝BO附在带有毫米刻度的米尺上，触头N可在它上面滑动。

电路中标准电源和检流计G都不能通过较大电流，但在测量时，可能因接头MN之间的电位差和（或）相差较大，而使标准电源和检流计中通过较大电流，因此在回路中串接一只大电阻，但这样就降低了电位差计的灵敏度，即可能接头MN之间电位差和（或）还没有完全平衡，由于大电阻的存在而使检流计无明显偏转。因此，在电位差计平衡后，还应合上K2以提高电位差计的灵敏度，由于电阻起保护标准电源和检流计的作用，故称为保护电阻。