实验十二 用电位差计测量电动势

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，就有电流通过电池内部。由于电池有内电阻，在电池内部不可避免地存在电位降落，因而电压表的指示值只是电池端电压的大小。只有当=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K1后，有电流通过电阻丝AB，并在电阻丝上产生电压降。如果再接通K2，可能出现三种情况：

1. 当时，G中有自右向左流动的电流（指针偏向右侧）。

2. 当时，G中有自左向右流动的电流（指针偏向左侧）。

3. 当时，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，。设每单位长度电阻丝的电阻为，段电阻丝的长度为，于是

                                                         (4-14-1)

将保持可变电阻及稳压电源输出电压不变，即保持工作电流不变，再用一个电动势为的标准电池替换图中的，适当地将的位置调至，同样可使检流计G的指针不偏转，达到补偿状态。设这时段电阻丝的长度为，则

                                           （4-14-2）

将（4-14-1）和（4-14-2）式相比得到

                        （4-14-3）

（4-14-3）式表明，待测电池的电动势可用标准电池的电动势和在同一工作电流下电位差计处于补偿状态时测得的和值来确定。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】

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m间连续变化。为可变电阻箱，用来调节工作电流。转换开关K2用来选择接通标准电池或待测电池。滑线变阻器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V及mV的电位差，并可用来校准电流表、电压表等。

2）工作电源用V。

3）测V的电位差时，工作电源接在“×1”档，而测mV电位差时，先将工作电源接在“×1”档，调节工作电流标准化，然后将工作电源接到“×0.01”档测定。

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=2.2000m，然后接通K1，将K2合向，调节可变电阻箱，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，再次微调使G的指针无偏转。此时电阻丝上每米的电压降为A伏。即

AV/m

3）测未知电动势。将滑动变阻器调到最大，固定即保持工作电流不变。将K2合向，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。重复这一步骤，求出的平均值x，于是x=x（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=1.0186V，则将电位差计两个调节旋钮（Cs、Ds）的读数之和调到1.0186格，接通开关K1，K2合向，调节可变电阻箱，直到G的指针不偏转。然后将滑动变阻器调到最小，再次微调使G的指针不偏转。此时，CsDs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，固定即保持工作电流不变。将K2合向，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Dx的位置使G的指针不偏转。此时两个调节按钮（Cx、Dx）的读数之和即为待测电池的电动势。

【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，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（℃）时标准电池的电动势应按下述公式修正：

其中是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。

2. 正负极不能接错，通入或取自标准电池的电流不能大于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）。