实验十二用电位差计测量电动势

实验4—14 电位差计测电动势

电位差计是精密测量中应用最广的仪器之一，不但用来精确测量电动势、电压、电流和电阻等，还可用来校准精密电表和直流电桥等直读式仪表，在非电参量（如温度、压力、位移和速度等）的电测法中也占有重要地位。

【实验目的】

1.掌握电位差计的工作原理和结构特点。

2.学习用线式电位差计测量电动势。

【实验原理】

若将电压表并联到电池两端，就有电流I通过电池内部。由于电池有内电阻r，在电池内部不可避免地存在电位降落I r，因而电压表的指示值只是电池端电压V E I r的大小。只有当I =0时，电池两端的电压才等于电动势。

采用补偿法，可以使电池内部没有电流通过，这时测定电池两端的电压即为电池电动势。

如图4-14-1所示，按通 K i后，有电流|通过电阻丝 AB，并在电阻丝上产生电压降I R。如果再接通K2,可能出现三种情况：

1.当E x V CD时，G中有自右向左流动的

电流（指针偏向右侧）。

2.当E x V CD时，G中有自左向右流动的

电流（指针偏向左侧）。

3.当E x V CD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，E x IR CD。设每单位长度

电阻丝的电阻为r0，CD段电阻丝的长度为

L x，于是

E x Ir 0 L x

将保持可变电阻R n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E s的标准电池替换图中的E x，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L s，则

E s IR C'D' Ir0L s 将（4-14-1 ）和（4-14-2）式相比得到

(4-14-2)

(4-14-1) 图 4-14-1

L x

E x E s

（4-14-3）

L s （4-14-3）式表明，待测电池的电动势 E x 可用标准电池的电动势 E s 和在同一工作电流下电 位差计处于补偿状态时测得的 L x 和L s 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。 【实验仪器】 图 4-14-2

图 4-14-3

电源接在“X 档，而测0~16.000mV 电位差时，先将工作电源接在

十一线电位差计，学生型电位差计， 标准电池，待测电池，直流稳压电源检流 计，可变电阻等。 1. 十一线式电位差计

十一线式电位差计具有结构简单、直 观、便于分析讨论等优点，其结构如图

4-14-2所示。电阻丝 AB 长5.5m,往复绕 在有机玻璃板的11个接线插柱上，每相邻 两个接线柱间电阻丝有效长度为

0.5m 。插

头C 可连接在0,1……10中任一个位置。 电阻丝BO 旁边附有带毫米刻度的米尺， 触头D 在它上面滑动。CD 间的电阻丝长 度可在0 : 5.5m 间连续变化。R n 为可变 电阻箱，用来调节工作电流。转换开关

K 2

用来选择接通标准电池 E s 或待测电池

E x o

滑线变阻器R 滑是用来保护标准电池 和检流

计的，在电位差计未处于补偿状态 时，必须调到最大，在电位差计处于补偿 状态进行读数时，应调到最小，以提高测 量的灵敏度。

2. 学生型电位差计

箱式电位差计是利用补偿法测电位差 原理做成的仪器，有多种型号，学生型电 位差计是其中的一种，其结构如图 4-14-3

所示。

1） 该电位差计可以测量 0: 1.6000V 及

0: 16.000mV 的电位差，并可用来校 准电流

表、电压表等。

2） 工作电源用2.0: 6.0V 。

3） 测0: 1.6000V 的电位差时，工作

x 档，调节工作电流

标准化，然后将工作电源接到

“X 0.0档”测定E x 。

使用任何一种电位差计，都必须先借助于标准电池来校准工作电流，然后才能用来测量 待测电动势或电位差。

【实验内容与步骤】

1. 用十一线电位差计测电池电动势

1） 按图4-14-2连接电路时应断开所有的开关，特别注意工作电源与标准电池和待测电 池的正、负极相对应。

2） 校准电位差计。调节

C 、

D 两活动接头，使 C 、D 长度为L s =2.2000m ，然后接通

K 1,将K 2合向E s ，调节可变电阻箱 R n ，同时断续按下滑动触头 D 和检流计的电计按钮，

直到G 的指针不偏转。然后将滑动变阻器调到最小，再次微调 R n 使G 的指针无偏转。此时

电阻丝上每米的电压降为

A 伏。即

3）测未知电动势。将滑动变阻器调到最大，固定R n 即保持工作电流不变。将K 2合向E x , 滑动触头D

移至尺左边O 处，按下触头D ,同时移动接头C,找出使检流计指针偏转方向改 变的两相邻接线柱，将插头C 在数字较小的接线柱上。 然后向右移动触头 D ，直到G 的指针 不偏转。然后将滑动变阻器调到最小，再次微调触头

D 使G 的指针无偏转，记下CD 间电阻

丝的长度L x 。重复这一步骤，求出 L x 的平均值L x ,于是E x = A Lx （V ）。

2. 用学生型电位差计测电动势

1） 按图4-14-3连接电路时应断开所有的开关，特别注意工作电源、标准电池和待测电 池的正负极相对应。

2） 校准电位差计。若室温下标准电池的电动势 E s =1.0186V ，则将电位差计两个调节旋

钮（C s 、D s ）的读数之和调到 1.0186格，接通开关 K 1, K 2合向E s ,调节可变电阻箱 R n , 直到G 的指针不偏

转。然后将滑动变阻器调到最小，

再次微调R n 使G 的指针不偏转。此时，

C s

D s 之间电阻上的电位差与标准电池的电动势相等，即可求出单位刻度的电位差等于

1伏/

格。此时已将电位差计的刻度校准成电压刻度。

3）测未知电动势。将滑动变阻器调到最大，固定R n 即保持工作电流不变。将K 2合向E x , 改变电位差计两个调节旋钮的位置，

直流G 的指针不偏转。然后将滑动变阻器调到最小，再

次微调旋钮D x 的位置使G 的指针不偏转。此时两个调节按钮（ C x 、D x ）的读数之和即为待 测电池的电动势

E x 。

【实验注意事项及常见故障的排除】

1. 电路中电池极性不能接错。

2. 由于电源的稳定性等原因，测量中要经常调节工作电流 I ，即反复定标。

3.

在接通电路时，要先接通工作回路，再接通补偿回路；断电时，先断补偿

E s (t) L s

1.0186

2.2000

0.46300 V/m

回路。使用检流计开关时，要用跃接法。(想一想，为什么？)

【思考题】

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.用电位差计测电动势时，不管定标还是测量，检流计总向一个方向偏转，试分析故障的原因有哪些。

3.用电位差计测量电动势，为什么先要定标”怎样定标？

【附录】

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 C)时标准电池的电动势E s(t)应按下述公式修正：

E s(t) E s(20) 39.94 10 6(t 20) 0.929 10 6(t 20)2 0.0090 10 6(t 20)3

其中E s(20)是20C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。

5 6

2.正负极不能接错，通入或取自标准电池的电流不能大于10 : 10 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) 。