灵敏电流计实验中的温差电效应

物理实验　第21卷　第3期

灵敏电流计实验中的温差电效应

董　键

(曲阜师范大学物理系山东曲阜273165)

　　摘　要:由于光点式灵敏电流计内部存在照明光源,系统很难避免温差,产生温差电流,从而引起光标附加偏转.本文以测量灵敏电流计常量和内阻为例,表明了温差电动势的存在,介绍了消除其影响的方法.

关键词:灵敏电流计;温差电效应;电流计常量;内阻

Thermoelectriceffectingalvanometerexperiment

DONGJian

(DepartmentofPhysics,QufuNormalUniversity,Qufu,Shandong,273165)

　　Abstract:Becauseoftheexistenceoflightsourceforillumination,thetemperaturedifferentialcannotbeavoidedingalvanometersystem.Areadingerrorinlightmarkisproducedbythermocurrent.Thermoelectriceffectisdemonstratedbymeansofmeasuringgalvanometerconstantandinternalresistance,amethodforeliminatingtheeffectispresented.

Keywords:galvanometer;thermoelectriceffect;galvanometerconstant;internalresistance

式中Kg为电流计常量.电流计内阻是指电流计内部两输入端之间的全部电阻(转动线圈的绕线电阻、引线电阻和分流器的接触电阻).图1是较常用的一种测量电路,E是稳压电源,R和Rb是可变电阻,Ra是标准电阻,G是要研究的灵敏电流计(AC15/4),标称内阻Rg为30󰀁,电流计常量约为3.0×10A/mm,󰀂A为测量总电流的微安表.

根据并联电路的电压相等,由图1可得

(I-Ig)Ra=Ig(Rg+R)

式可知R与I成线性关系

I=bR+a其中常量a和b分别为

b=

IgRa

(4)(5)(2)

如果固定Ig(即固定光标偏转的格数n)由(2)

(3)

-9

1　引　言

灵敏电流计在光电流检测、平衡电桥和电势差计实验中作电流的“示零器”,其作用依赖于它的高电流灵敏度,如AC15/4灵敏电流计的电流计常量约3×10-9A/mm,内阻却只有30󰀁.因此,对于1󰀂V的电压,就会引起光标10mm(即10个格)的偏转.如果连接灵敏电流计回路使用了不同金属或半导体材料,不可避免的温差将在回路中引起温差电动势,使光标出现附加偏转,出现系统误差,对实验结果造成不利影响.

2　现行方法存在的问题及其原因

对于电流计G,当电流为Ig时,光标偏转的距离为n,则

Ig=Kgn(1)a=b(Rg+Ra)物理实验　第21卷　第3期

11

得内阻的表达式应为

Rg=a′-Ra- bbRa

实际测量时按动势),

(10)

a′-Ra来计算内阻(包含温差电b

是对内阻的修正项,以冬季为例, =bRa

30KgRg,而bRa=Ig=Kgn,实验中常取n=50mm,因此

30KgRg30Rg30×30 ===Kgnn50󰀁=18󰀁bRa

(11)

图1　测量Kg和Rg的电路

　　注意,修正值与Kg的大小无关.在式(8)中, 的正负号与电流I的方向有关,所以对内阻的修正可正可负,内阻的测量值应为(30±18)󰀁,即测量值的范围是12～48󰀁,与实际测量相符合.

(7)

3　测量内阻和电流计常量的合理方法根据上面原因,测量Rg和Kg时要求温差电动势 稳定不变,可以这样来满足:测量前让灵敏电流计充分预热及外部电路的连线全部用铜线压接,并尽量减少外部电路造成温差电动势的可能性.

在图1中,当总电流I的方向改变时,灵敏电流计G的光标向相反方向偏转,但偏转的弧线距离不再是n;同时,式(9)中的 要反号.保持R不变,调节总电流,使之为I′,让光标偏转的距离也是n,则

I′=bR+a-将式(9),式(12)相加得

I+I′=bR+a

2

(13)

Ra

(12)

通过测量多组(R,I),用线性拟合方法求得a,b,则由式(4)、式(5)求得

Kg=Rg=

bRa

n

(6)

a-Rab

实验发现,Kg比较接近标称值.Rg的值却很离散,在10～50󰀁范围内,而且重复性不好,显然,这种方法是存在问题的.

研究表明,测量内阻值离散的原因是灵敏电流计内部和外部连线上存在着温差电动势.灵敏电流计的线圈和连线是铜质,分流器是铁质,焊点有焊锡,电阻箱的电阻是康铜,电路使用了多种材料,灵敏电流计内有照明灯泡,它的发热使灵敏电流计内部温度不均匀.当线圈与其它部分构成闭合回路时,产生温差电流,光标产生附加的偏转.温差电流很容易观察.让灵敏电流计在“直接”档调零,然后置于“短路”档,就能看到光标向一边偏转,偏角逐渐增大,经过足够长时间,光标稳定在某个位置.最后位置与室温有关,冬季可达30mm以上,夏季可达到10mm以上.若灵敏电流计外部的温差电动势可略去不计,仅考虑灵敏电流计内部的温差电动势 ,则式(2)、式(3)修改为

(I-Ig)Ra=Ig(Rg+R)+

I=bR+a+

Ra

(8)(9)

可见,I+I′与R成线性关系.通过测量若干组

2

数据I+I′,R,用线性回归求得a,b,按式(6)

2

和式(7)求出Kg和Rg.如果将式(9),式(12)相减可求得温差电动势的大小.

为检验分析方法的合理性,用图1的电路进行多次测量,表1是测得的两组数据,对每组 即实际测量的截矩为a+Ra,用a′表示.由此可12

物理实验　第21卷　第3期

数据都可以在考虑温差电动势和不考虑温差电动势的情况下分别进行处理,求出相关系数r、斜率b、截矩a、内阻Rg和电流计常量Kg,结果列于表2.

表1　测量的数据

R/󰀁100120140160180200200220240260280300

I正向/󰀂!18.721.724.627.830.633.833.636.439.2.5.8.6

I反向/󰀂!20.623.526.629.532.535.535.738.741.4.847.750.5

I平均/󰀂!19.622.625.628.731.534.734.637.0.3.746.749.5

　　从表2可得出如下结论:

1)温差电动势不影响Kg的测量值,实测的值很接近于灵敏电流计标牌上的标称值(3.0×10A/mm).这是温差电动势出现在截矩上的结果.

2)在不考虑温差电动势时,电流I正向和反向情况下测得的内阻总是一大一小,几乎与标称值呈对称分布,与标称值有明显偏差;采用平均电流后的计算结果就非常一致地接近于灵敏电流计标牌上的标称值(30󰀁).4　结束语

通过以上的例子可看出,在使用灵敏电流计测量电流时,系统很难避免温差电动势的存在,该电动势将对灵敏电流计的光标偏转造成附加影响,使测量结果出现明显的偏差.解决的办法是在充分保证温差电动势稳定的前提下,根据温差电动势与流经电流计的电流方向无关的特点,采用两次测量的方法,将温差电动势消去.

-9

　　注:n=50.0mm,Ra=1󰀁

表2　对表1的数据做回归运算的结果

r

a/󰀂A

b/󰀂A・󰀁

-1

Rg/󰀁Kg/×10

-9

A・mm

-1

5　参考文献

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19

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3　贾玉润等.大学物理实验.上海:复旦大学出版

社,1987

(2000-08-27收稿)

I正向0.9998I反向0.9999I平均0.9999I正向0.9999I反向0.9998I平均0.9999

3.615.6.3.355.904.63

0.1500.1490.1500.1510.1490.149

23.137.029.921.238.629.9

3.002.983.003.022.982.98

(上接6页)　现代科技对电子器件小型化、多功

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(2000-12-14收稿)

能化、高速化的要求更成为纳米材料研究的一个强大推动力.5　参考文献

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