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一、 引言
在大学物理实验中,电阻的测定是电磁学实验的一个基础内容。测量电阻的方法有多种,像欧姆法,电桥法,伏安法等。其中伏安法是最基本的方法,伏安法测电阻是用电压表测出待测电阻Rx两端的电压U,同时用电流表测出通过Rx的电流I,然后根据欧姆定律算出待测电阻Rx的阻值。用伏安法测电阻,不但测量范围广,而且适用性广。用伏安法测线性电阻还能直观地系统误差对测量结果的影响,因此伏安法是研究物质电学特性的常用方法。
二、 传统伏安法测电阻及误差分析
(一) 外接法
外接法测电阻的原理如图1所示,当闭合开关K后,电流表测出的电流 应等于被测电阻Rx上通过的电流I和电压表上的电流Iv之和,即IA=IR+Iv。电压表测出的电压U是被测电阻两端的电压。因此,由Rx = 计算出的待测电阻值将出现偏差,这种偏差是由于电压表U存在内阻Rv不够大而引起的分流所造成的系统误差。
图1 电流表外接法
(二) 内接法
内接法测电阻的原理如图2所示,该电路避免了电压表的分流而测准了电流I,但电压表测得的电压U却等于被测电阻Rx两端的电压 与电流表上的电压 之和。
图2 电流表内接法
三、 改进后的电路(桥式电路)
(一) 测量方法
改进后的电路如同图3所示,这是一种桥式电路。其中Rs为可变电阻,首先调节可变电阻Rs,Rs的数值大小不需要准确调定,只需根据Rx的估值将Rs调到与Rx的数量级差不多就可以了。然后接通K,调节滑动变阻器R,检流计指针为零。记下此时电压表的读数U和电流表的读数I,将所测得的U和I代入公式 ,即可求得待测电阻Rx的值。其中检流计是用来指示桥路平衡,Rs用作限流计,滑动变阻器R除继续其分压作用外,还是桥路的两个桥臂,另外两个桥臂则由Rs和被测电阻充当。
图3 桥式电路
(二) 测量原理
桥式电路的原理图如图4所示,其原理是:当改变C点的位置时就可以改变 电压的大小。当桥路处于平衡时,检流计中无电流通过(IG=0),D点的电位与C点的电位相同,即 ,此时,ADB和ACB可看作是两个并联的支路,因为 ,显然可见, 。
图4 桥式电路原理图
故被测电阻 的两端电压即是C,B两点的电压,所以电压表上的读数就是被测电阻 两端的电压。而电流表上的读数就是流过被测电阻 上的电流,即 。因此, 。由于消除了电压表电流表内阻的影响,所以测得的电阻值,比传统伏安法的测量要准确得多。且原理简明,线路简单,操作方便。
(三)桥式法与电桥法的区别
用电桥法测电阻是将待测电阻与已知电阻进行间接比较,因此电桥法需要有已知的标准的电阻。电桥法是利用电桥平衡公式求 。这里引入的桥式电路,但并不是用电桥法测电阻,此法不需要有标准电阻,它只是利用电桥的平衡原理,准确地测出流经 上的电流 和它两端的电压 ,再根据欧姆定律 ,求出被测电阻的值。因此,该测量方法是伏安法的一种接法,它与电桥法有本质的区别。
(四) 测量方法的优点
第一,这种方法一个突出的优点,是能够使测量时通过被测对象的电流和加在它两端的电压与其在工作状态时完全相同。这一点对于测定非线性无件(如晶体二极管)的伏安特性曲线是十分重要的。
第二,实验方法和步骤大大简化。由于在实验中不必粗测 值,无论是RA〈〈RX,还是 ,均可采用如图3的改进电路,也不必对结果进行修正,从而,大大简化了实验方法和步骤。
第三,测量结果正确。由于电流表的分压,电压表的分流并不影响通过 两端的电压,测量值与电压表 和电流表 的内阻无关,故而消除了由于原电路的缺陷造成的系统误差。
在大学物理实验中,电阻的测定是电磁学实验的一个基础内容。测量电阻的方法有多种,像欧姆法,电桥法,伏安法等。其中伏安法是最基本的方法,伏安法测电阻是用电压表测出待测电阻Rx两端的电压U,同时用电流表测出通过Rx的电流I,然后根据欧姆定律算出待测电阻Rx的阻值。用伏安法测电阻,不但测量范围广,而且适用性广。用伏安法测线性电阻还能直观地系统误差对测量结果的影响,因此伏安法是研究物质电学特性的常用方法。
二、 传统伏安法测电阻及误差分析
(一) 外接法
外接法测电阻的原理如图1所示,当闭合开关K后,电流表测出的电流 应等于被测电阻Rx上通过的电流I和电压表上的电流Iv之和,即IA=IR+Iv。电压表测出的电压U是被测电阻两端的电压。因此,由Rx = 计算出的待测电阻值将出现偏差,这种偏差是由于电压表U存在内阻Rv不够大而引起的分流所造成的系统误差。
图1 电流表外接法
(二) 内接法
内接法测电阻的原理如图2所示,该电路避免了电压表的分流而测准了电流I,但电压表测得的电压U却等于被测电阻Rx两端的电压 与电流表上的电压 之和。
图2 电流表内接法
三、 改进后的电路(桥式电路)
(一) 测量方法
改进后的电路如同图3所示,这是一种桥式电路。其中Rs为可变电阻,首先调节可变电阻Rs,Rs的数值大小不需要准确调定,只需根据Rx的估值将Rs调到与Rx的数量级差不多就可以了。然后接通K,调节滑动变阻器R,检流计指针为零。记下此时电压表的读数U和电流表的读数I,将所测得的U和I代入公式 ,即可求得待测电阻Rx的值。其中检流计是用来指示桥路平衡,Rs用作限流计,滑动变阻器R除继续其分压作用外,还是桥路的两个桥臂,另外两个桥臂则由Rs和被测电阻充当。
图3 桥式电路
(二) 测量原理
桥式电路的原理图如图4所示,其原理是:当改变C点的位置时就可以改变 电压的大小。当桥路处于平衡时,检流计中无电流通过(IG=0),D点的电位与C点的电位相同,即 ,此时,ADB和ACB可看作是两个并联的支路,因为 ,显然可见, 。
图4 桥式电路原理图
故被测电阻 的两端电压即是C,B两点的电压,所以电压表上的读数就是被测电阻 两端的电压。而电流表上的读数就是流过被测电阻 上的电流,即 。因此, 。由于消除了电压表电流表内阻的影响,所以测得的电阻值,比传统伏安法的测量要准确得多。且原理简明,线路简单,操作方便。
(三)桥式法与电桥法的区别
用电桥法测电阻是将待测电阻与已知电阻进行间接比较,因此电桥法需要有已知的标准的电阻。电桥法是利用电桥平衡公式求 。这里引入的桥式电路,但并不是用电桥法测电阻,此法不需要有标准电阻,它只是利用电桥的平衡原理,准确地测出流经 上的电流 和它两端的电压 ,再根据欧姆定律 ,求出被测电阻的值。因此,该测量方法是伏安法的一种接法,它与电桥法有本质的区别。
(四) 测量方法的优点
第一,这种方法一个突出的优点,是能够使测量时通过被测对象的电流和加在它两端的电压与其在工作状态时完全相同。这一点对于测定非线性无件(如晶体二极管)的伏安特性曲线是十分重要的。
第二,实验方法和步骤大大简化。由于在实验中不必粗测 值,无论是RA〈〈RX,还是 ,均可采用如图3的改进电路,也不必对结果进行修正,从而,大大简化了实验方法和步骤。
第三,测量结果正确。由于电流表的分压,电压表的分流并不影响通过 两端的电压,测量值与电压表 和电流表 的内阻无关,故而消除了由于原电路的缺陷造成的系统误差。