伏安法測電阻的電路設計及實物圖
2006-04-29 00:00:00簡華
物理教學探討 2006年19期
1 滑動變阻器分壓與限流接法的選擇
(1)如圖1所示電路中變阻器起限流作用，變阻器電阻調到最大時，電路中仍有電流，電路中電流變化范圍為ER+RX~ERX，負載RX的電壓調節范圍為ERXRX+R~E(電源內阻不計)。如果Rx>>R，電流變化范圍很小，變阻器起不到變阻作用，此時采用該接法就不能滿足多次測量的要求。一般來說，以下三種情況不能采用限流接法而采用分壓接法：①電路中最小電流仍超過電流表量程或超過被測元件的額定電流；②要求被測電阻的電壓、電流從零開始連續變化；③被測電阻值遠大于變阻器的全部電阻值。
(2)變阻器采用分壓接法如圖2所示，負載Rx上電壓變化范圍是0-E(不計電源內電阻)，電壓調節范圍比限流接法大。但是當通過負載Rx的電流一定時，圖2中干路電流大于圖1中干路電流，圖2中電路消耗的功率較大。而且圖2的接法沒有圖1簡單。通常變阻器以采用限流接法為主。
關于變阻器的選擇，應針對不同的連接方式和電路中其他電阻的大小選擇不同的變阻器。在分壓接法中，變阻器應選擇電阻較小而額定電流較大的；在限流接法中，變阻器的阻值應與電路中其他電阻比較接近。
2 電流表內，外接法的選擇
由于電流表、電壓表內阻的影響，不管采用電流表內接還是外接的方法都將引起誤差，誤差的原因分析如下：
電流表外接法中(如圖3)，U測=UR，I測=IX+IV，可見電壓表分流是產生誤差的原因，
越大，電壓表分流越小，誤差越小。
電流表內接法中(如圖4所示)， I測=IR，U測=UX+UA電流表分壓是產生誤差的原因，RRX越大，電流表分壓越小，誤差越小。
由以上分析可知，RVRX>RXRA即Rx
如果RA、RV是未知的，可用試觸法判定電流表內、外接法，如圖5所示，伏特表接線一端固定，另一端試觸a、b，若發現○V表示數有顯著變化，而○A示數無明顯變化，則○A應采用外接誤差較小，若發現○A示數有顯著變化，而○V示數無明顯變化，則安培表○A應采用內接較好。
在“描繪小電珠的伏安特性曲線”實驗中，因為小電珠(即小燈泡)的電阻較小，所以應該選用安培表外接法。小燈泡的電阻會隨著電壓的升高，燈絲溫度的升高而增大，所以U—I曲線不是直線。為了反映這一變化過程，燈泡兩端的電壓應該由零逐漸增大到額定電壓。所以滑動變阻器必須選用分壓接法。在上面電路圖中應該選用圖2，開始時滑動觸頭應該位于左端(使小燈泡兩端的電壓為零)。
由實驗數據作出的I—U曲線如右，說明燈絲的電阻隨溫度升高而增大(若用U—I曲線，則曲線的彎曲方向相反。)
例1 用伏安法測金屬電阻Rx(約為5Ω)的值，已知電流表的內阻為1Ω，量程為0 6A，電壓表的內阻為幾kΩ，量程為3V，電源電動勢為9V，滑動變阻器的阻值為0~6Ω，額定電流為5A，試畫出測量Rx的電路圖。
分析 ①經估算，電流表應外接(先算臨界電阻R0=RARV)
②如果變阻器采用限流接法，負載Rx的電壓變化范圍是4511~9V，所提供的電壓表量程顯然不夠。應采用分壓接法，電路如圖7所示。
例2 測一個阻值約為25kΩ的電阻，備有下列器材：
A 電流表(量程100μA，內阻2kΩ)；
B 電流表(量程500μA，內阻30Ω)；
C 電壓表(量程10V，內阻100kΩ)；
D 電壓表(量程50V，內阻500kΩ)；
E 直流穩壓電源(電動勢15V，允許最大電流1A)；
F 滑動變阻器(最大電阻1kΩ，額定功率1W)；
G 導線若干。
(1)電流表應選，電壓表應選。
(2)畫出測量電阻Rx的電路圖。
分析 (1)本題中由于電壓表C的量程小于電源電動勢，而且其內阻也比電壓表D的內阻小，所以有很多學生在選擇電壓表時很自然地選擇D。實際上，上述兩個問題都可以通過選擇恰當的電路加以解決。首先應考慮的是電壓表D的量程遠大于電源電動勢，在測量時電壓表的實際讀數最大也達不到量程的13，所以選擇D不恰當。而如果我們采用變阻器的分壓接法和電流表的內接法(RA~Rx)，選擇電壓表C就比較恰當，既不會燒壞電表，也不會引起較大誤差。
再根據Im=UmRm=102 5×104A
=4×10-4A，
電流表應選擇B。
(2)電路圖如圖8所示。
3 實物圖連線技術
如圖9所示，無論是分壓接法還是限流接法都應該先把伏安法部分接好；對限流電路，只需用筆畫線當作導線，從電源正極開始，把電源、電鍵、滑動變阻器、伏安法四部分依次串聯起來即可(注意電表的正負接線柱和量程，滑動變阻器應調到阻值最大處)。對分壓電路，應該先把電源、電鍵和滑動變阻器的全部電阻絲三部分用導線連接起來，然后在滑動變阻器電阻絲兩端之中任選一個接頭，比較該接頭和滑動觸頭兩點的電勢高低，根據伏安法部分電表正負接線柱的情況，將伏安法部分接入該兩點間。
(欄目編輯 王柏廬)
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