一种用于十一线电位差计实验的电子型标准电池及实验仪器

摘要

本发明涉及物理实验中的“十一线电位差计测电池的电动势”电子型标准电池及实验仪器。标准电池采用一个集成电路MAX872和一个多圈可调电阻构成电路，2节1.5V的5号干电池供电，直接输出一个2.500V±0.05％的标准电压E

说明书

技术领域

本发明涉及物理实验中的“十一线电位差计测电池的电动势”电子型标准电池及实验仪器。

背景技术

“十一线电位差计测电池的电动势”实验是我国高校理工科专业的本科生、高职高专学生都要做的实验，实验中对测量结果的准确度要求不高，但由于它是解剖式结构，仪器简单直观，学生易于理解、掌握电位差计工作原理、使用方法以及操作过程且实验时有连接电路、排除故障等训练，故成为大多数理工科专业的本科生、高职高专学生都要做的物理实验。

目前实验中最常采用仪器组合方案是：1个标准电池(如BD7-1型化学电池)，1个灵敏检流计(如AC5/2)，1个十一线电位差计(总电阻约80Ω)，1个3V直流稳压电源(如YB17××系列)，1个待测电池(如1.5V干电池)，1个滑线电阻器和1个保护电阻箱(如ZX21)，1个单刀单掷开关和1个单刀双掷开关。在用该仪器组合进行实验时，存在四个问题：

(1)BD7-1型标准电池是一种化学电池，极容易损坏。它不能摇晃和震动，更不允许倒置；存放地点的温度和湿度应符合要求；最大允许电流为10μA，并应间歇使用，超过10μA电流会造成电压不标准，甚至损坏标准电池。

(2)AC5/2(电流分度值2×10^-6A/div，内阻50Ω)检流计很灵敏，学生在实验中一个不注意都会造成损坏，且其价格较贵。

(3)由于BD7-1型标准电池在使用中内阻较大(内阻约3000Ω)，使得在用标准电池校准电位差计时，灵敏度显得不够。一般选取单位长度上的电压K＝0.15～0.20V/m＝0.15～0.20mV/mm，长度读数只需读到毫米位(即最后一位为mm)，根据电位差计灵敏度公式$S=\frac{1}{0.2C_I(r_s+r_g+r_E)}$$=\frac{1}{0.2\times 2\times {10}^{-6}(3000+50+50)}=\frac{1}{12}\times {10}^4/V$(因为AC5/2检流计指示表头较小，一般实验者判断检流计是否指零只能够分辨0.2格的偏转。C₁为检流计的电流分度值，r_s为标准电池内阻，r_g为检流计的内阻，r_E为工作回路等效电阻，约几十欧姆，在这取50Ω计算)，电压分辨能力为：$\frac{1}{S}=1.2\times {10}^{-3}V=1.2\mathrm{mV},$它比1mm上的电压0.15～0.20mV大许多，故灵敏度不够。

(4)测量电池电动势时，灵敏度过高，检流计指零调节操作较困难。根据电位差计灵敏度公式$S=\frac{1}{0.2C_I(r_x+r_g+r_E)}=\frac{1}{0.2\times 2\times {10}^{-6}(0+50+50)}=\frac{1}{4}\times {10}^5/V,$

电压分辨能力为：$\frac{1}{S}=4\times {10}^{-5}V=0.04\mathrm{mV},$它比1mm上的电压0.15～0.20mV小许多，因此灵敏度过高，从而造成检流计指零调节操作上的困难。

从问题(3)、(4)可以看出，由于标准电池和待测电池内阻相差很大，造成校准和测量时的灵敏度相差30倍。

发明内容

本发明目的就是要解决上述“十一线电位差计测电池的电动势”实验中的BD7-1型标准电池、AC5/2检流计易于损坏，校准时灵敏度不够，测量时灵敏度过高的四个问题，设计了一个2.500V电子型标准电池，提出了一种新的实验仪器组合方案，从而解决了这些问题。

本发明所采用的技术方案：

一种用于十一线电位差计实验的电子型标准电池，它采用一个集成电路MAX872和一个多圈可调电阻构成电路，2节1.5V的5号干电池供电，直接输出一个2.500V±0.05％的标准电压E_s、等效内阻约为1Ω电路；当双刀双掷开关SW-DPDT扳到a1、a2位置时，MAX872电压参考芯片U1接到2节1.5V的5号干电池上，在U1的6脚上输出一个2.500V的标准电压，经正极接线柱P1、负极接线柱P2输出到外面使用，多圈可调电阻R1可以调节U1的6脚上输出电压，通过0.01级以上的电位差计把它校准到2.500V±0.05％的标准电压E_s；当双刀双掷开关SW-DPDT扳到b1、b2位置时，1节1.5V的5号干电池串联电阻R2，R2电阻为1Ω左右，作为干电池的等效内阻，经正极接线柱P1、负极接线柱P2输出一个约1.5V、等效内阻约1Ω的待测电压E_x，同时断开电压参考芯片U1的供电。

利用所述的电子型标准电池的十一线电位差计实验仪器，它采用1个所述电子型标准电池，1个常用的J0409型或J-DB2X型检流计G，检流计G满偏电流300μA、电流分度值10×10^-6A/div、内阻约150Ω，1个总电阻约80Ω十一线电位差计，1个3V直流工作电源E，1个开关K′，1个50Ω滑线电阻器R1和1个ZX21保护电阻箱R2。

本发明标准电池电路简单，微功耗，不怕短路，调整方便，体积小。在一个10cm×8cm×6cm的有机塑料盒子中集成了标准电池和待测电池，通过一个开关，可以选择输出2.500V±0.05％的标准电压E_S或电动势约1.5V、内阻约1Ω的待测电压E_x；本发明实验仪器能完成“十一线电位差计测电池的电动势”实验，检流计便宜且不易损坏，灵敏度能同时满足校准和测量的要求，能达到该实验的教学目的、要求。

附图说明

图1、本发明实施例2.500V电子型标准电池的原理图。

图2、本发明实施例2.500V电子型标准电池的使用等效图。

图3、本发明实施例2.500V电子型标准电池在“十一线电位差计测电池的电动势”实验仪器中的应用方案图。

具体实施方式

实施例：图1中，双刀双掷开关SW-DPDT扳到a1、a2位置时，电压参考芯片U1(MAX872)接到2节1.5V的5号干电池上，在U1的6脚上输出一个2.500V的标准电压，经接线柱P1(正极)、P2(负极)输出到外面使用。由于芯片U1具有一定离散性，多圈可调电阻R1可以调节U1的6脚上输出电压，能够很方便地使用0.01级以上的电位差计把它校准到准确的(2.500V±0.05％)的标准电压E_s。当双刀双掷开关SW-DPDT扳倒扳到b1、b2位置时，1节1.5V的5号干电池串接电阻R2(1Ω左右，作为干电池的等效内阻)，经接线柱P1(正极)、P2(负极)输出一个约1.5V、等效内阻约1Ω的待测电压E_x，同时断开电压参考芯片U1的供电。

该标准电池被安装到一个10cm×8cm×6cm的有机塑料盒子中，对外提供一个正极(红色)、一个负极(黑色)接线柱及一个开关，输出2.500V的标准电压E_s或待测电压E_x。其等效电路如图2所示。

该标准电池参数测试结果为：(1)在2节5号干电池供电电压≥2.7V，输出端的吸入电流或扇出电流≤0.100mA时，能输出2.500V±0.05％的标准电压E_s(0.05％的依据是采用了UJ31型电位差计来校准它)，此时等效内阻约为1Ω$(r_s=\frac{\mathrm{\Delta U}}{\mathrm{\Delta I}}=\frac{2.5002-2.5000}{(200-0)\times {10}^{-6}}=1\Omega );$(2)输出端短路时，电流约为4mA，整个电路功耗P≈3V×4mA＝12mW，短路输出状态标准电池不损坏时间≥10小时；(3)输出端开路时，干电池供电电流≤10μA，整个电路功耗P≈3V×10μA＝0.03mW；(4)使用“南浮LR6”干电池供电时，正常使用时间≥1.5年(注：不能使用充电电池，因为其电压≤2.7V)；(5)温度修正：E_s＝2.500×(1-|t-20|×20×10^-6)V。由于十一线电位差计的等级约0.1级，因此在0～40℃温度范围内，可以不修正。本发明的2.500V电子型标准电池目前主要应用在“十一线电位差计测电池的电动势”实验中，如图3所示，实验仪器由1个2.500V电子型标准电池(含标准电池E_s、待测电池E_x、开关K)，1个常用的J0409型(或J-DB2X型)检流计G(满偏电流300μA、电流分度值10×10^-6A/div、内阻约150Ω)，1个十一线电位差计(总电阻约80Ω)，1个3V直流工作电源E(如YB17××系列)，1个开关K′，1个50Ω滑线电阻器R1和1个保护电阻箱R2(ZX21)组成。

本发明的实验仪器：由于标准电压为2.500V，选取电阻线单位长度上的电压K＝0.25～0.30V/m＝0.25～0.30mV/m m。由于标准电池E_s及待测电池E_x的内阻r_s＝r_x＝1Ω，在用标准电池校准电位差计及测量电池电动势时，电位差计灵敏度公式$S=\frac{1}{0.1C_I(r_s+r_g+r_E)}=\frac{1}{0.1\times 10\times {10}^{-6}(1+150+50)}=\frac{1}{2}\times {10}^4/V,$其电压分辨能力为：$\frac{1}{S}=2\times {10}^{-4}V=0.2\mathrm{mV},$它比1mm上的电压0.25～0.30mV稍小一些，因此能同时满足校准和测量的灵敏度要求。从这可以得出，由于十一线电位差计是低阻型，当配用内阻较大(千欧数量级)标准电池时(如化学标准电池、通过电阻分压获得1.0186V的标准电池)，为了保证电位差计的灵敏度，就必须选用灵敏度较高的检流计。本发明中的标准电池及待测电池的等效内阻小到1Ω，因此只要选用灵敏度较低的J0409型检流计，就能满足电位差计的灵敏度要求，从而使得学生实验时不易损坏仪器。

用本发明的2.500V电子型标准电池及实验仪器进行实验的实验步骤：

(1)按图3连接线路，开关K′处于断开位置，注意工作电源E的正负极应与标准电压E_s和待测电压E_x的正负极相对(不能接错，如果接错了不管如何调节检流计G不会指零，但在这不会损坏仪器)。保护电阻R2置于5KΩ的位置。选取电阻线单位长度上的电压K＝0.25～0.3V/m＝0.25～0.3mV/mm，再根据公式/_s＝2.5÷K估算出/_s，根据公式1_x＝1.5÷K估算出1_x。

(2)校准电位差计：将2.500V电子型标准电池上开关K扳倒标准电压E_s输出状态(a1、a2位置)，根据估算出的1_s把图3中的“C”插入适当的插孔，调节“D”，使CD电阻线长度等于1_s。然后接通开关K′，按下滑动触头“D”，调节滑线电阻器R1，使检流计G基本无偏转。再把保护电阻R2置于0Ω的位置，断续按下并移动滑动触头“D”的位置，直到检流计G的指针不偏转，记下1_s长度，电位差计校准完毕。然后再将保护电阻R2重新置于5KΩ的位置。

(3)测量电池电动势：将2.500V电子型标准电池上开关K扳倒待测电压E_x输出状态(b1、b2位置)，把图3中的“C”插入适当的插孔，按下滑动触头“D”，调节“D”的位置，使检流计G基本无偏转。再把保护电阻R2置于0Ω的位置，断续按下并移动滑动触头“D”的位置，直到检流计G的指针不偏转，记录1_x的长度。一次测量就完成了。再将保护电阻R2重新置于5KΩ的位置。

(4)重复进行5次测量，每次都必须重复上述步骤(2)、(3)，求出1_x的平均值，计算电池的电动势(待测电压)E_x，完成不确定度的计算。

实验完成后，将2.500V电子型标准电池上开关K扳倒待测电压E_x输出状态(b1、b2位置)，能延长干电池的使用时间。