五、数据记录及处理 1,将等位点连成等位线。 2.根据电力线与等位线垂直的特点，画出被模拟空间的电力线。 3.测量出内容1长直同轴圆柱面电极间的电场分布图中每条等位线的直径，按(9)式 计算出每条等位线的电位值，然后与测量电位值比较，计算相对误差并列出表格。 六、思考题 1.用模拟法测的电位分布是杏与静电场的电位分布一样。 2.如果实验时电源的输出电压不够稳定，那么是杏会改变电力线和等位线的分布？为 什么？ 3,试从你测绘的等位曼和电力线分图，分析何处的电场强度较强？何处的电场强度 较弱？ 4.试从长直同轴圆杜面电极间导电介质的电阻分布规律和从欧姆定律出发，证明它的 电位分布有与(9)式相同的形式。 实验24电位差计的使用 电位差计是电磁学测量中用来直接精密测量电动势或电位差的主要仪器之一。补偿法是 电磁测量的一种基本方法。电位差计就是利用补偿原理来精确测量电动势或电位差的一种精 密仪器，补偿法的测量准确度高。这种方法是将被测电压与仪器的标准电压进行比较而实现 电压测量。电路在补偿状态时，被测电压回路无电流，测量结果准确度仪取决于电位差计的 电源、标准电池、标准电阻和高灵敏度检流计，故它的测量准确度可达0.01%或必高。可用 于精确测量电动势、电压、电流、电阻等电学量。其优点是，在测量时几乎不消耗被测对象 的能量，不影响被测最原来的数值，测量结果稳定可靠，月具有很高的精度。电位差计又叫 电位计，它有多种类型，其中箱式电位差计是测量电位差的专用仪器，它使用方便、测量准 确、稳定性好，在科学实验和工业生产中经常用到。它用途很广泛，不但可以用来精确测量 电动势、电压，与标准电阻配合还可以精确测量电流、电阻和功*等，还可以用来校准精密 电表和直流电桥等直读式仪表，有些电器仪表厂则用它米确定产品的准确度和定标，而且在 非电参量（如温度、压力、位移和速度等）的电测法中也占有极其重要的地位。因此在工业测 量自动控制系统的电路中得到普遍的应用。 一、实验目的 1.了解电位差计测量电位差或电动势的原理和方法。 2.学习并学握UJ31型电位差计的使用方法。 3.用UJ31型箱式电位差计测电源电动势及电压。 二、实验原理 1.直流电位差计的结构 电位差计线路是较为复杂的，类型也很多。尽管如此，一台较完善的直流电位差计主要 有三个回路组成：工作电流回路、标准回路和测量回路。这三个回路组成了电位差计的一个
整体，如图1所示 0Es0 RP 图1直流电位差计的结构 在用标淮电池校准工作电流式电位差计中，工作电流回路山电源开关、E、R即、Rx、Rs 等组成：标准回路山ES,Rs、G及开关S等组成：测量回路山EX、Rx、G,开关S等组成. 在分析任何一个电位差计的原理、结构及线路时，都必须紧紧记住上述三个组成部分中所包 含的特有元件，千力不能相五混淆 电位差计主要结构组件有测量盘、工作电流调节盘、温度补偿盘、测量选择开关、量程 转换开关、电键按缸、接线端钮、面板、屏蔽层及外壳等。开关、按钮、端钮等是大家所熟 悉的。所谓盘实质上是可调电阻，个过它旱圆盘形。可调电阻分两类，一类是滑线式的， 是连续式可调电阻：另一类是步进式的，是阶梯式可调电阻。它们做得讲究、精常，并月都 有分度。如滑线式分度值为滑线全长的1/100或1/1000或史小，步进式有「位、百位步 进盘。 工作电流回路：工作电流回路又称工作电流测节回路，也有叫校准工作回路的。工作电 流调节盘是电位差计的一个组成部分，它有滑线和步进两种形式。另外，在工作电流回路中， 总的电阻值应该保证工作电流的调节范围。在采用步进式时要保证调节的细度。 标准回路：标准回路又称工作电流校准回路。在回路中可调电阻Rs可以做到准确稳定， 标准电池Es也可以很准确，使用时按照标准电池湿度修正标出室温下的s 2.补偻原理 补偿原理就是利用一个电压或电动势去抵消另一个电压或电动势，其原理可用图2来说 明。两个电源E和E,正极对正极、负极对负极，其中E为可调标准电源电动势，E,为待 测电源电动势，中间串联一个检流计G接成闭合回路。如果要测电源E,的电动势，可通过 调节电源E,使检流计读数为0，电路中没有电流，此时表明E。-Ex,E,两端的电位差和 E两端的电位差相互补偿，这时电路处于补偿状态。若已知补偿状态下E的大小，就可确 定E,这种利用补偿原理测电位差的方法称为补偿法，该电路称为补偿电路。山上可知， 为了测量E,关键在于如何狄得可调节的标准电源，并要求该电源便于调节、稳定性好 能够迅速读出其准确的数值。补偿原理的特点是在测量时，仪器不从被测电路中分流，不影 响被测电路的状盒
Ex 图2补偿原理 3.电位差计工作原理 在直流电路中，电源电动势在数值上等于电源开路时两电极的端电压。因此，在测量时 要求没有电流通过电源，测得电源的嘴电压，即为电源的电动势。但是，如果直接用伏特表 去测量电源的端电压，山于伏特表总要有电流通过，而电源具有内阻，因而不能得到准确的 电动势数值，所测得的电压值总是小于实际的电压值。为了准确的测量电源的电动势，必须 使分流到测量支路上的电流等于零，直流电位差计就是为了满足这个要求而设计的。 (1)工作电流标准化 将K合上，K,拨向E。(即标准位置)，从粗到细调节工作回路的电阻R。(即图中的 R、R2、R),使G中无电流，此时校准回路处于补偿状念，则 E,=1R 一是式中，E、布足准案的选定的，工作瑞中电流能精地收准听 需要的值，这一步骤称为工作电流标准化。 (2)测E,或U 1,校准后，R不能再改变，立即将K,拨向E,或U,调节R(即转动图中的测量盘 I、Ⅱ、Ⅲ)，使检流计G中无电流，此时测量回路处于补偿状态，则 E,=1R R 则E=E是 此时流经R,的电流为标准电流，在R不同位胃处输出的电位差IR也确定了。于是就 可以把R不同位置处电阻的数值转换成电位差值直接标在测量盘上，就直接可从测量盘所 标的刻度，读出待测E,或U,值。 (3)标准电池温度补偿 校准回路中的￡，为仪器外接的标准电池，它的电动势随温度有微小变化，而它标出的 数值是20℃时的电动势，为修正温度变化引入的误差，在UJ31型电位差计面板上专门有 个温度补偿旋钮R,对应于电路中的足一个可变的标准电阻R,。使用时按照标准电池温度 修正标出室温下的E,将面板上旋钮R,转至E,值（见表），然后调节R。使G中无电流
这样工作回路中的电流为测量读数盘刻度时的标准电流。举例说，若测量时温度为25℃， 查得此时标准电池的电动势为：1.0183V,则选取标准电阻Rs为101.83Q。校准后工作电路 中电流的大小为0.0100O0A。因而在精率电阻箱R的一部分电阻Rx上电位差为 (0.010000×Rx)V, (4)电位差计的量稻 一般箱式电位差计的量限为mV数量级。U-31型箱式电位差计量程分为17.1mV(最小 分度1uV,倍率开关K1旋全×)和171.0mV(最小分度10V,倍率开关K旋至×10)两档。 (5)电位差计基本误差表达式： △=U(S%)+bAU 式中S一电位差计准确度等级： U,一测量盘示值： △U一测量盘最小步进值（或分度值）： b一附加误差系数，实验型电位差计一般取b-0.5。 实际使用中，滑动接触装咒往往是误差的主要来源。因为：滑动触点的接触电阻会引起 误差，滑动触点移动时会产生温差电动势， 三、实验仪器 1.U31型箱式电位差计，检流计，标准电池，直流稳压电源，滑动变阻器，分压箱（用 电阻箱代替，开关 2.U刀小.31型箱式电位差计 小31型由差计是一种实用电差计，它用于测量小巾压值。此原理图3所示。申 路可分为两大部分：下半部为工作回路，上半部为补偿回路：其中左边为校准回路，右边为 测量回路。重要的参数有： 测量范围：1mV~171mV:准确度等级：0.05：电源电压：5.7~6，.4V R 图3U31彩电位差计原图 U31型电位差计面板图如图4所示。面板（见图4）上各旋钮和接线杜功能如下： R,是标准电池的温度补偿旋钮。K是电位差计量程扩展旋钮，山K和1、Ⅱ、 个不同倍率电阻转盘直接读出电压值。 工作状念选择旋纽K,共有五个档位。“断”位置是将被补偿电动势与工作回路断开：“标
准”是校准电位差计：“未知1”、“未知2”是测定未知电动势 电流调节旋钮粗调R、中调R2、细调R,在校准工作状态下，用它校准工作电流 的大小，以保证刻度盘示值与测量实际值一致 “粗”、“细”、“短路按钮分别指不同的电流接通方式。按下“粗”时，检流计与保护电阻 串联后与电路接通：按下“细”时，检流计与电路直接接通：按下“短路”时，可使检流计两端 短路，起到阻尼开关作用 8t°8品s9品9*8 9品 O@@ 10 10 O 0.001m1 网4UJ-31利电位差计而板图 3.使用方法 (1)将外接的标准电池、检流计、工作电源和被测电动势（或电位差），按其极性接入 电位差计。 (2)测量前先调整检流计指针正对零位。耳根据室温算出标准电池在该温度下的标准 电动势E,并依此将R,调全相应的位罕。按待测电势的大小将K,臀于×1”或×10"处，K, 骨于标准。 (3)校准工作电流：按下“粗按钮.先调Rm(钥)，再调R2(仲)，使G的指针无偏转 耳按下“细”按钮，用R来精确补偿至G无偏转，则电流得以校准（在此过程中，可利用短 路按钮使摆动的检流计指针迅速静止)。工作电流即被校准到所需的标准电流。 (4)测量未知电动势（或电位差）：保持R,(即粗、中，细对应的R1、R2、R,) 不变，将K2旋钮霄“未知1或未知2”，然后先按下“粗按钮依次调节测量转盘（即R,)江、 Ⅱ、Ⅲ，使电位差计大致补偿后，再按下“细”按钮精确补偿之。注：在调节中应先估计 下未知电势的大小，并把测量转盘I胥于估计数值上， (5)测量结果是三个读数盘的读数值相加后与K,的倍率乘积。 (6)读数： E0(U01DU.00.DUm00.001加倍率 E,0(U口1口Um00.DUm☐0.001)p倍率