十一線電位差計實驗常見故障及其原因分析

摘 要：電位差計是采用補(bǔ)償原理和比較法電源電動勢的精確儀器，它準(zhǔn)確度高、使用方便，測量結(jié)果穩(wěn)定可靠，在現(xiàn)代工程技術(shù)中和大學(xué)實驗教學(xué)被廣泛應(yīng)用。本文重點剖析了11線電位差計實驗過程中的注意事項和常見故常及原因。

關(guān)鍵詞：電位差計 補(bǔ)償原理 單位長度壓降

中圖分類號：TM93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（b）-0123-01

1 實驗原理

我們都知道，用電壓表測電源電動勢Ex時，是將電壓表并聯(lián)到電源兩端，這樣就有電流I通過電源內(nèi)部。由于電源內(nèi)阻的存在電源內(nèi)部不可避免地存在電位降Ir，因而電壓表的指示值只是電源端電壓（U=Ex-Ir）的大小，而不是其電動勢。怎樣才能使電源內(nèi)部沒有電流通過而又能測定電源的電動勢呢？顯然，只有當(dāng)I=0時，電源的端電壓U才等于電動勢Ex。其原理如圖1所示，AB是一根11米長的電阻；C，D為AB上兩個動點；E，Es，Ex分別為工作電源，標(biāo)準(zhǔn)電源和待測電源；Rx和Rh分別是滑動變阻器和變阻箱；G為檢流計。它兩個回路組成，上部ABRxEA為工作回路，下部CEsGRhDC（或CExGRhDC）為補(bǔ)償回路。

校準(zhǔn)電位差計時，開關(guān)接在標(biāo)準(zhǔn)電源Es。當(dāng)補(bǔ)償回路達(dá)到補(bǔ)償時（即VCD=Es，也就是電阻箱和檢流計同時指零），電阻絲AB上單位長度的電壓降：

（1）

其中l(wèi)s=lcd，因此，可以變滑動頭C、D的位置，就能改變C、D間的長度lcd，繼而改變C、D間電壓差VCD大小。

測量電源電動勢時，開關(guān)K倒向2，只要Ex≤，總可以找到一個長度lc′d′使G和Rh同時指零，這時間電勢差恰好與Ex相等。可得待測電動勢：

（2）

2 實驗步驟

第一步：按如圖所示電路圖連接好電路。

第二步：標(biāo)定電位差計。

選擇電阻絲AB上合適單位長度電壓降，計算校準(zhǔn)長度。將K2倒向“1”，“C”插入適當(dāng)?shù)牟蹇祝{(diào)節(jié)“D”，使CD間電阻絲長度等于ls。按下滑動觸頭“D”，然后接通K1，觀察G的偏轉(zhuǎn)情況。如果G有偏轉(zhuǎn)，則需要調(diào)節(jié)Rx使其指零；如果G基本指零，則減小Rh到G有偏轉(zhuǎn)（不要使其滿偏），再改變滑線變阻器Rx。再次觀察G的偏轉(zhuǎn)情況，這樣反復(fù)進(jìn)行，直到G和Rh同時指零為止。此時電阻絲上單位長度壓降即為，電位差計定標(biāo)完畢。

第三步：測量電源電動勢。

校準(zhǔn)結(jié)束后，工作電源E的大小和滑動變阻器的位置不能再改變。這時，斷開K1，將保護(hù)電阻Rh的滑動端恢復(fù)到阻值最大位置。粗調(diào)：K2倒向“2”，估算lx大約長度，將“C”插入適當(dāng)?shù)牟蹇住＜?xì)調(diào)：接通K1，按下滑動觸頭“D”，觀察G的偏轉(zhuǎn)情況。如果G有偏，則轉(zhuǎn)滑動觸頭“D”使其指零。如果G基本指零，則減小Rh到G有偏轉(zhuǎn)（不要使其滿偏），再次滑動觸頭“D”。再次觀察G的偏轉(zhuǎn)情況，這樣反復(fù)進(jìn)行，直到G和Rh同時指零為止，記錄lx的長度。便可計算得到待測電源的電動勢大小Ex。

3 實驗過程分析與討論

（1）實驗的幾個注意事項。

①在實驗中工作電源的電壓必須略大于11。

②在接線中，三個電源不能混淆，正負(fù)極不能接反，以及兩個電阻不能用錯，嚴(yán)格按照電路圖接線。

③校準(zhǔn)好電位差計后，工作電源大小和限流滑動變阻器不能再改變。

④完成校準(zhǔn)和測量的時候電阻箱和檢流計必須同時指0。但是沒有完成時，變阻箱不應(yīng)該為0。

（2）常見故障及原因。

①檢流計始終不偏轉(zhuǎn)（補(bǔ)償回路不通：如某根導(dǎo)線斷了、沒接好或檢流計、待測電源或標(biāo)準(zhǔn)電源損壞。

②檢流計始終往一個方向偏，無論怎么調(diào)節(jié)不能指零（第一、二兩個注意事項）。

③改變滑動變阻器的阻值，檢流計指針沒反應(yīng)（主回路中的某根導(dǎo)線斷了或沒接好）。

④扣下D按鈕檢流計就滿偏（第4個注意事項）

（3）完成本次實驗的關(guān)鍵。

①搞明白本次實驗的主要原理即補(bǔ)償原理，什么是補(bǔ)償，如何實現(xiàn)補(bǔ)償。

②接線路（三個電源不能混淆，正負(fù)極不能接反）。

③確定電阻絲上單位長度壓降的三種方法：

第一，任意選定，參照（1）式計算（最好不要讓超出4～7 m）。

第二，任意選定（最好不要超出4～7 m），反過來計算。

如果采用上述兩種方法確定，在校準(zhǔn)電位差計前則需要將AB上有兩個動點C和D放在合適的位置（不能亂放），保證C和D間的長度=，再進(jìn)行電位差計的校準(zhǔn)。

第三，也可以在校準(zhǔn)的時候，找到一個合適的長度使G和Rh同時指零，此時C和D間的長度即為，這樣可有（1）式計算。

參考文獻(xiàn)

[1] 閆旭東，徐國旺.大學(xué)物理實驗[M].北京：科教出版社，2008.

作者簡介：徐斌（1981—），男，籍貫：湖北孝感，現(xiàn)為：湖北工業(yè)大學(xué)講師；學(xué)歷：研究生；研究方向：電子信息科學(xué)與技術(shù)。