电位差计的实验研究

   　摘要：将电位差计实验中的补偿法原理应用于电学物理量的测量中，该方法可以用来精确测量电流、电阻、电压等电学量，也可以利用电位差计，获得比较精确的二极管伏安特性曲线可以避免了因电表的内阻而引起的测量误差。利用实验室现有仪器设计了一些切实可行的新实验。

　　关键词：电位差计；补偿法；电流；电阻；二极管；系统误差

　　1　绪论

　　电位差计是通过与标准电势源(一般为饱和型或不饱和型标准电池)的电压进行比较来测定未知电动势的仪器。由于电路设计中采用补偿法原理，使被测电路在实际测量时通过的电流强度为零，从而达到非常高的测量准确度。

　　大学电位差计实验是物理学重要的基础实验，是很多高校必做的电学实验。但是，随着科学技术的进步，数字式仪表的发展，高内阻，高灵敏度的仪器不断的出现，在许多测量场合，逐步取代了电位差计的应用，目前，做电位差计实验，把主要精力放在掌握该仪器的使用上，显然落后于现实。但是，电位差计这一典型的物理实验仪器所采用的补偿法原理，仍是一种十分可贵的实验方法。它不仅在历史上有着十分重要的意义，现在乃至将来仍然是借鉴的好方法。

　　补偿法是精确测量电压的一种测量方法，如图一所示的电路可以用来测定未知的电动势，图中Ex是被测电动势，EN是可以调节的已知电源。如调整EN值使回路中检流计指示零值(即回路里电流为零)。则Ex与EN的关系是电动势方向相反，大小相等，故数值上有Ex=EN。这时电路达到电压补偿，这种方法称为补偿法。补偿法由于不消耗被测量的电能而具有较高精确度，在电学测量中电位差计不仅用来测量电源电动势，某段电路上的电位差，还有着广泛的应用，本文着重讨论电位差计的扩展应用。

　　2　补偿法测电流

　　将电位差计的电压补偿法原理应用于电流测量中，避免了电流测量中因电表的内阻而引起的测量误差。利用实验室现有仪器设计了一个切实可行的新实验，是个有趣的探索。

　　待测电流电路如图所示。为了不改变电路状态而实现对电流的测量，还可利用“电流补偿”原理，结合电位差计测电压的方法，实现对电路电流的测量。Rn为己知标准电阻，选择电源电压E并调节电阻R0使电流计G指示零电流值，用电位差计测得标准电阻Rn上的电压降Vn，即可得电流I=Vn／Rn。

　　3　补偿法测电阻

　　这种电压补偿的方法又可以用来测电阻，这是电位差计的又一个扩展使用。
　　利用补偿法测电阻，既能够避免伏安法测电阻由于电表内阻引入的误差，又可以避免电桥法测电阻由于比率臂电阻不精确引人的误差，不失为一种精确测量电阻的方法。

　　可用一标准己知电阻民与待测电阻串联通电，用电位差计测得Rn和Rx的压降分别为Vn和Vx。由下式求得Rx。
　　Rx=(Vx／Vn)Rn
　　当Vn和Vx的测量值超过电位差计“测量补偿电压”En调节范围时。应选择图3分压补偿电路进行测量。

　　4　利用电位差计描绘二极管特性曲线

　　电位差计的应用不仅限于常见的电压、电流、电阻测量，作为“补偿法”测量物理量的典型代表，其应用是相当广泛的，而且能取得比较高的测量精确度。伏安法测量二极管特性曲线实验，习惯使用电压表和电流表分别测得二极管两端的电压和流过二极管两端的电流，从而描绘二扳管特性曲线。实际上，这种方法测得的二极管特性曲线有较大的误差，无法忽略电压表和电流表内阻对二极管实际工作状态的影响。利用电位差计，可以获得比较精确的二极管伏安特性曲线。图为二极管正向伏安特性测量电路反向伏安特性测量二极管改变方向，毫安表改为微安表，二极管两端的电压用电位差计测得。同样道理，三极管输入与输出伏安特性的比较精确测量描绘也应该利用电位差计测量原理方法。

   　5　其他应用

　　补偿法在完善物理实验设计，减小实验系统误差中的应用也很广泛，比如在物理实验的设计和操作中，会出现由于某些待测物理量分布的不对称或实验设计的操作不对称使系统测量的误差增大的情况，如果对这些不对称的物理量增加对称的测量，将不对称的操作设计成对称的操作，这样就可使不对称在一定条件下变为对称分布，从而使系统误差中的两部分相互补偿而抵消，有效地减小实验的误差。如在固体密度测定中物理天平测量待测物的质量时所用的复称法，就是将常规的“砝码右盘”的不对称操作，用左右各一次的对称操作以抵消天平因不等臂引起的系统误。

　　6　结论

　　本文介绍了补偿法在电学测量上的应用，补偿法和伏安法在描绘二极管伏安特性曲线的比较上的应用，以及补偿法在完善物理实验设计。减小实验系统误差中的应用。随着科学技术的发展数字电表逐渐取代了电位差计在电学测量领域的运用。尽管如此，不改变被测电路工作状态的补偿法反映了人们对测量方法技术的一种理想追求，其生命力是永恒的。