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)物理量的測量中，該方法可以用來精確測量電流、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：O361.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3198(2009)10-0290-01

1緒論

電位差計(jì)是通過與標(biāo)準(zhǔn)電勢源(一般為飽和型或不飽和型標(biāo)準(zhǔn)電池)的電壓進(jìn)行比較來測定未知電動勢的儀器。由于電路設(shè)計(jì)中采用補(bǔ)償法原理，使被測電路在實(shí)際測量時通過的電流強(qiáng)度為零，從而達(dá)到非常高的測量準(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)，在許多測量場合，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)在乃至將來仍然是借鑒的好方法。

補(bǔ)償法是精確測量電壓的一種測量方法，如圖一所示的電路可以用來測定未知的電動勢，圖中Ex是被測電動勢，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)系是電動勢方向相反，大小相等，故數(shù)值上有Ex=EN。這時電路達(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量的電能而具有較高精確度，在電學(xué)測量中電位差計(jì)不僅用來測量電源電動勢，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)償法測電流

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

待測電流電路如圖所示。為了不改變電路狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)對電流的測量，還可利用“電流補(bǔ)償”原理，結(jié)合電位差計(jì)測電壓的方法，實(shí)現(xiàn)對電路電流的測量。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)償法測電阻

這種電壓補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ挚梢杂脕頊y電阻，這是電位差計(jì)的又一個擴(kuò)展使用。

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

可用一標(biāo)準(zhǔn)己知電阻民與待測電阻串聯(lián)通電，用電位差計(jì)測得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的測量值超過電位差計(jì)“測量補(bǔ)償電壓”En調(diào)節(jié)范圍時。應(yīng)選擇圖3分壓補(bǔ)償電路進(jìn)行測量。

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、電阻測量，作為“補(bǔ)償法”測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量精確度。伏安法測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得二極管兩端的電壓和流過二極管兩端的電流，從而描繪二扳管特性曲線。實(shí)際上，這種方法測得的二極管特性曲線有較大的誤差，無法忽略電壓表和電流表內(nèi)阻對二極管實(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量電路反向伏安特性測量二極管改變方向，毫安表改為微安表，二極管兩端的電壓用電位差計(jì)測得。同樣道理，三極管輸入與輸出伏安特性的比較精確測量描繪也應(yīng)該利用電位差計(jì)測量原理方法。

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，會出現(xiàn)由于某些待測物理量分布的不對稱或?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)的操作不對稱使系統(tǒng)測量的誤差增大的情況，如果對這些不對稱的物理量增加對稱的測量，將不對稱的操作設(shè)計(jì)成對稱的操作，這樣就可使不對稱在一定條件下變?yōu)閷ΨQ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。如在固體密度測定中物理天平測量待測物的質(zhì)量時所用的復(fù)稱法，就是將常規(guī)的“砝碼右盤”的不對稱操作，用左右各一次的對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)測量領(lǐng)域的運(yùn)用。盡管如此，不改變被測電路工作狀態(tài)的補(bǔ)償法反映了人們對測量方法技術(shù)的一種理想追求，其生命力是永恒的。