電位差計(jì)的實(shí)驗(yàn)研究

張亮亮

摘要：將電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)中的補(bǔ)償法原理應(yīng)用于電學(xué)物理量的測(cè)量中，該方法可以用來(lái)精確測(cè)量電流、電阻、電壓等電學(xué)量，也可以利用電位差計(jì)，獲得比較精確的二極管伏安特性曲線可以避免了因電表的內(nèi)阻而引起的測(cè)量誤差。利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器設(shè)計(jì)了一些切實(shí)可行的新實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：電位差計(jì)；補(bǔ)償法；電流；電阻；二極管；系統(tǒng)誤差

中圖分類號(hào)：O361.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3198(2009)10-0290-01

1緒論

電位差計(jì)是通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)源(一般為飽和型或不飽和型標(biāo)準(zhǔn)電池)的電壓進(jìn)行比較來(lái)測(cè)定未知電動(dòng)勢(shì)的儀器。由于電路設(shè)計(jì)中采用補(bǔ)償法原理，使被測(cè)電路在實(shí)際測(cè)量時(shí)通過(guò)的電流強(qiáng)度為零，從而達(dá)到非常高的測(cè)量準(zhǔn)確度。

大學(xué)電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，是很多高校必做的電學(xué)實(shí)驗(yàn)。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字式儀表的發(fā)展，高內(nèi)阻，高靈敏度的儀器不斷的出現(xiàn)，在許多測(cè)量場(chǎng)合，逐步取代了電位差計(jì)的應(yīng)用，目前，做電位差計(jì)實(shí)驗(yàn)，把主要精力放在掌握該儀器的使用上，顯然落后于現(xiàn)實(shí)。但是，電位差計(jì)這一典型的物理實(shí)驗(yàn)儀器所采用的補(bǔ)償法原理，仍是一種十分可貴的實(shí)驗(yàn)方法。它不僅在歷史上有著十分重要的意義，現(xiàn)在乃至將來(lái)仍然是借鑒的好方法。

補(bǔ)償法是精確測(cè)量電壓的一種測(cè)量方法，如圖一所示的電路可以用來(lái)測(cè)定未知的電動(dòng)勢(shì)，圖中Ex是被測(cè)電動(dòng)勢(shì)，EN是可以調(diào)節(jié)的已知電源。如調(diào)整EN值使回路中檢流計(jì)指示零值(即回路里電流為零)。則Ex與EN的關(guān)系是電動(dòng)勢(shì)方向相反，大小相等，故數(shù)值上有Ex=EN。這時(shí)電路達(dá)到電壓補(bǔ)償，這種方法稱為補(bǔ)償法。補(bǔ)償法由于不消耗被測(cè)量的電能而具有較高精確度，在電學(xué)測(cè)量中電位差計(jì)不僅用來(lái)測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)，某段電路上的電位差，還有著廣泛的應(yīng)用，本文著重討論電位差計(jì)的擴(kuò)展應(yīng)用。

2補(bǔ)償法測(cè)電流

將電位差計(jì)的電壓補(bǔ)償法原理應(yīng)用于電流測(cè)量中，避免了電流測(cè)量中因電表的內(nèi)阻而引起的測(cè)量誤差。利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器設(shè)計(jì)了一個(gè)切實(shí)可行的新實(shí)驗(yàn)，是個(gè)有趣的探索。

待測(cè)電流電路如圖所示。為了不改變電路狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的測(cè)量，還可利用“電流補(bǔ)償”原理，結(jié)合電位差計(jì)測(cè)電壓的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路電流的測(cè)量。Rn為己知標(biāo)準(zhǔn)電阻，選擇電源電壓E并調(diào)節(jié)電阻R0使電流計(jì)G指示零電流值，用電位差計(jì)測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)電阻Rn上的電壓降Vn，即可得電流I=Vn／Rn。

3補(bǔ)償法測(cè)電阻

這種電壓補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ挚梢杂脕?lái)測(cè)電阻，這是電位差計(jì)的又一個(gè)擴(kuò)展使用。

利用補(bǔ)償法測(cè)電阻，既能夠避免伏安法測(cè)電阻由于電表內(nèi)阻引入的誤差，又可以避免電橋法測(cè)電阻由于比率臂電阻不精確引人的誤差，不失為一種精確測(cè)量電阻的方法。

可用一標(biāo)準(zhǔn)己知電阻民與待測(cè)電阻串聯(lián)通電，用電位差計(jì)測(cè)得Rn和Rx的壓降分別為Vn和Vx。由下式求得Rx。

Rx=(Vx／Vn)Rn

當(dāng)Vn和Vx的測(cè)量值超過(guò)電位差計(jì)“測(cè)量補(bǔ)償電壓”En調(diào)節(jié)范圍時(shí)。應(yīng)選擇圖3分壓補(bǔ)償電路進(jìn)行測(cè)量。

4利用電位差計(jì)描繪二極管特性曲線

電位差計(jì)的應(yīng)用不僅限于常見的電壓、電流、電阻測(cè)量，作為“補(bǔ)償法”測(cè)量物理量的典型代表，其應(yīng)用是相當(dāng)廣泛的，而且能取得比較高的測(cè)量精確度。伏安法測(cè)量二極管特性曲線實(shí)驗(yàn)，習(xí)慣使用電壓表和電流表分別測(cè)得二極管兩端的電壓和流過(guò)二極管兩端的電流，從而描繪二扳管特性曲線。實(shí)際上，這種方法測(cè)得的二極管特性曲線有較大的誤差，無(wú)法忽略電壓表和電流表內(nèi)阻對(duì)二極管實(shí)際工作狀態(tài)的影響。利用電位差計(jì)，可以獲得比較精確的二極管伏安特性曲線。圖為二極管正向伏安特性測(cè)量電路反向伏安特性測(cè)量二極管改變方向，毫安表改為微安表，二極管兩端的電壓用電位差計(jì)測(cè)得。同樣道理，三極管輸入與輸出伏安特性的比較精確測(cè)量描繪也應(yīng)該利用電位差計(jì)測(cè)量原理方法。

5其他應(yīng)用

補(bǔ)償法在完善物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，減小實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差中的應(yīng)用也很廣泛，比如在物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和操作中，會(huì)出現(xiàn)由于某些待測(cè)物理量分布的不對(duì)稱或?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)的操作不對(duì)稱使系統(tǒng)測(cè)量的誤差增大的情況，如果對(duì)這些不對(duì)稱的物理量增加對(duì)稱的測(cè)量，將不對(duì)稱的操作設(shè)計(jì)成對(duì)稱的操作，這樣就可使不對(duì)稱在一定條件下變?yōu)閷?duì)稱分布，從而使系統(tǒng)誤差中的兩部分相互補(bǔ)償而抵消，有效地減小實(shí)驗(yàn)的誤差。如在固體密度測(cè)定中物理天平測(cè)量待測(cè)物的質(zhì)量時(shí)所用的復(fù)稱法，就是將常規(guī)的“砝碼右盤”的不對(duì)稱操作，用左右各一次的對(duì)稱操作以抵消天平因不等臂引起的系統(tǒng)誤。

6結(jié)論

本文介紹了補(bǔ)償法在電學(xué)測(cè)量上的應(yīng)用，補(bǔ)償法和伏安法在描繪二極管伏安特性曲線的比較上的應(yīng)用，以及補(bǔ)償法在完善物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。減小實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差中的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展數(shù)字電表逐漸取代了電位差計(jì)在電學(xué)測(cè)量領(lǐng)域的運(yùn)用。盡管如此，不改變被測(cè)電路工作狀態(tài)的補(bǔ)償法反映了人們對(duì)測(cè)量方法技術(shù)的一種理想追求，其生命力是永恒的。