关于电压测量的讨论论文_杨久旺

杨久旺 浙江省宁海县柔石中学 315600

摘要 如何测好电压?应选择好恰当的仪器。测量电容器的电压要用静电计,测定电路电压得用电压表。在什么情况下电压表显示的示数是电源的内电压?静电场中某两点的电压如何测量?这些问题值得大家研究讨论。

关键词 电压 电压表 静电计 量程 内电压 计算

若问如何测量电压,大家立刻会想到用电压表。其实测电压的仪器不限于电压表,电压表也不是在任何情况下都能测电压。对于电压的测量,摆在我们面前的问题是;该用什么样的仪器测电压?怎样才能使测得的电压误差最小?测量中电压表所显示的数值是什么电压?如何测定静电场中的电压?本文就这些问题做些讨论。

通常的电压表是由磁电系电流表串联分压电阻组成的。测电压时必有很小电流通过电流表和分压电阻,电流表指针指示了电压值。若要测量已充电的电容器两极间的电压,将电压表接电容器两极,电容器将通过电压表放电,直至两极电荷中和不带电为止。设电容器电容为 ,电压表内阻为 ,放电的时间常数 。如果时间常数 较大(例如大于1s),能观察到电压表指针由某一最大角度逐渐减小到零,说明随着电容器放电,电容器两极的瞬时电压逐渐变小。所以电压表不能用来测电容器的静态电压。

为了不改变电容器的电荷量,测定电容器的静态电压,应用静电计。如图1所示,静电计实际上也是电容器,一极是跟指针相连的带有金属杆的小圆球,另一极是外壳,它的电容极小。当待测电容器两极分别连接静电计两极时,有极少量的电荷转移到静电计上,静电计指针带电产生斥力,使指针偏转一个角度,指示了电容器两极的电压。在测量时,无论是电压表还是静电计,都要消耗一定的能量,只是这部分能量极小,因而,可以忽略不计。

直流电路的电压自然用直流电压表测量。为使被测电压不超过电表的量程,又使测量的误差最小,一般要求电压表指针偏转在满刻度的四分之三附近。实际情况是被测电压和电压表的量程不一定有约四分之三数量关系。例如实验室的电压表有两种量程:3V和15V。若被测电压约为5V,用3V档,电压表不能测量;用15V档测量,测量值约为满刻度的三分之一。这时可以采用电表组测量,例如用两只相同的量程在3V档的电压表串联起来测量,其测量值约为5V的电压,每只表的读数约为2.5V,这样就满足测量要求。用串联的电压表测电压是减小测量误差的可取方法之一。量程不同的电压表也可以串联起来测电压,但两表电压的分配比相同的电压表要复杂得多。两表电压的分配跟电压表的内阻成正比。电压表的内阻可以计算,每只电压表刻度盘面上都标有电压灵敏度,一般电表为 V,它跟电压表的量程的乘积就是电压表的内阻。如果电压表量程为3V,其内阻为Rv= V?3 V = 。若电压表量程为15V,则其内阻 /V?15 V= 。用电压灵敏度相同的电压表串联测电压,所分配的电压跟量程成正比,电表指针偏转的角度相同,测量的效果较好。

研究电磁感应的动生电动势,常会遇到这样的问题,如图2所示,水平放置的平行导轨 和 ,左端接电阻为 。电压表连同所接到导体棒 放在导轨上,电压表的内阻为 。除了电阻 和电压表内阻外,其余导体电阻不计。若使电压表连同导体棒 一起以 速度向右匀速直线运动,电压表读数显示的是什么样的物理量?通常做实验,电压表不会移动。在这里,电压表连同导体棒一起运动,它们都是产生动生电动势的电源了。

首先我们得明确,电压表是电流表串联分压电阻而组成的电表,当电压表通过电流 时,指针偏转,所显示的电压为 。如果开关 断开,电压表连同导体棒切割磁感线运动,因没有电流,电表指针不偏转,显示的电压为零。若闭合开关 ,设 间距离为 ,电压表连同导体棒以速度 向右运动,产生动生电动势 ,电路有电流,通过电压表的电流 ,这时电压表显示的电压读数为 ,这是电源的内电压。所以电压表显示的电压不是 两端的电压。 两端的电压是电源路端电压该由静止的电压表直接接 两点测出。在电源内部,电流由 端流向 端,所以电压表正极跟 端相连,负极跟 端相连,跟测 两端的路端电压的电压表极性相反。这个例子为我们提供了测电源内电压的方法。开关 断开时电压表读数为零,说明电源内电压为零,断路时外电路电压等于电源电动势。

用静电计可测电容器的电压,用电压表可测电路的电压。但这两种仪器并不能解决所有的电压测量问题。例如要测定静电场中某两点的电势差,它们都无能为力了。如图3所示, 为两块带等量异种电荷的平行放置的大金属板,相距2㎝,两板的电压 V。 为板间的两点,能否测出 间的电势差即电压 ?

用静电计可以测出 间的电压 ,但无法测 间的电压,电压表更不能测出 间的电压。因为 两点没有电荷,用仪器接触 两点,不能从 间取得一定的电荷量,也不会形成电流。所以静电计或电压表指针不会偏转,无法测出 间电压。只能借助于计算方法求得 间电压。先用静电计测出 两板间电压 V,量出两板距离 =2㎝,计算两板间场强 。再量出沿电场方向的 间的距离 ,可算出 。

普通的电压测量,可以有很多值得我们探讨的问题。研究物理教学,我们应联系实际,深入思考,这样才能开展物理教学研究,提高我们的教学水平。

参考文献

〔1〕李瀚蓀:《电路分析基础》 人民教育出版社,北京,1980年。

〔2〕黄锦安等,《电工技术基础》 兵器工业出版社,北京,1999年。

论文作者:杨久旺

论文发表刊物:《中国科技教育·理论版》2013年第12期供稿

论文发表时间:2014-3-24

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