Нулевые измерения

Физика > Нулевые измерения

 

Что такое нулевой метод измерения – описание и примеры. Узнайте о потенциометре, измерительном мосте Уитстона, измерение сопротивления в электрической цепи.

Нулевые измерения присутствуют в балансе напряжения, поэтому ток не мешает вычислению.

Задача обучения

• Выяснить, зачем нужны нулевые измерения.

Основные пункты

• Вычисления напряжения и тока стандартными приборами меняют конкретную цель, внося неопределенности. Вольтметр использует дополнительный ток, а амперметр уменьшает его.
• Для снижения неопределенности применяют нулевые измерения.
• Есть два метода нулевых измерений: потенциометр и мост Уитстона.
• Потенциометр – устройство, сосредоточенное на неизвестном напряжении, противодействующем известному, не используя ток.
• Измерительный мост Уитстона – электрическая цепь, измеряющая неизвестное электрическое сопротивление благодаря балансированию двух ножек мостовой схемы, одна из которых охватывает неизвестную составляющую.

Термины

• Нулевые измерения – более точные методы вычисления тока и напряжения через балансирование схемы.
• Потенциометр – устройство, сосредоточенное на неизвестном напряжении, противодействующем известному, не используя ток.
• Мост Уитстона – электрическая цепь, измеряющая неизвестное электрическое сопротивление благодаря балансированию двух ножек мостовой схемы, одна из которых охватывает неизвестную составляющую.

Нулевые измерения

При стандартных измерениях тока и напряжения возникают числовые неопределенности. Вольтметры используют определенное количество дополнительного тока, а амперметры уменьшают его. Нулевые значения присутствуют в балансе, поэтому ток не проходит сквозь прибор измерения, а цепь не меняется. Обычно подобные вычисления оказываются намного точнее.

Потенциометр

При вычислении электродвижущей силы батареи подключены к стандартному вольтметру, а вычисляемая величина отображает конечное напряжение (V). Напряжение обладает связью с ЭДС: V = ЭДС – Ir (I – протекающий ток, а r – внутреннее сопротивление батареи).

Аналоговый вольтметр употребляет хоть и небольшое, но отличное от нуля количество тока, а значит, вносит изменение в систему. Так как внутреннее сопротивление батареи остается неизвестным, не получится определить ЭДС

ЭДС можно вычислить, если известно r, но такое происходит крайне редко. Если бы ток равнялся нулю, то V = ЭДС. Но обычный вольтметр нуждается в токе.

Для нулевого измерения используется потенциометр. Источник напряжения подключается к резистору (R), проводящему постоянный ток. Вдоль провода заметно устойчивое падение потенциала, поэтому переменный выходит сквозь контакт вдоль провода.

Заметьте, что ЭДС вступает в сопротивлении с другим источником напряжения. Расположение точки контакта регулируется до тех пор, пока гальванометр не приступит к отсчету с 0. В этот момент ЭДС_x = IR_x (Rx – сопротивление проводной секции к точке контакта).

Потенциометр – устройство при нулевом измерении. (а) – Источник напряжения, подсоединенный к длинному проводному резистору, пропускающему постоянный ток. (b) – Подключено неизвестное ЭДС, а точка контакта регулируется до того момента, когда гальванометр не начнет отсчитывать с нуля. Сегмент провода обладает сопротивлением Rx и высчитывается по формуле E_x = IR_x (I не влияет на соединение, потому что ток не протекает сквозь гальванометр)

Обычная ЭДС сменяется на ЭДС_х, а точка контакта будет настраиваться, пока гальванометр не приступит к нулевому отсчету, поэтому ЭДС_s = IR_s. В обоих случаях ток не проходит сквозь гальванометр. Используя соотношение ЭДС_х/ЭДС_s, можно отменить сокращающиеся знаменатели.

Так как для R используют длинный однородный провод, то соотношение сопротивления (R_x/R_s) такое же, как и соотношение длин провода, и приравнивается к нулю для каждой ЭДС. В правой части сейчас вычисляется три величины, поэтому можно вывести ЭДС_x. Подобный расчет гарантирует меньше неопределенности, чем при прикладывании вольтметра напрямую. Однако часть неопределенности присутствует при любых обстоятельствах.

Измерение сопротивления

В качестве приборов для измерения сопротивления используют омметры. Наиболее распространенные механизмы применяют к сопротивлению напряжения, вычисляют ток и сопротивление, основываясь на законе Ома.

Есть также измерительный мост Уитстона – использование балансировки потенциальных потерь в цепи. Его именуют мостом, потому что гальванометр объединяет две ветви. В таких схемах известны резисторы R₁ и R₂, а стрелка на R₃ указывает на переменное сопротивление. Значение для последнего можно вывести.

Его применяют для вычисления неизвестных сопротивлений. Переменное сопротивление R₃ регулируют до тех пор, пока гальванометр не начнет отсчет с 0. Это упрощает схему

Отличие потенциалов между точками b и d приравнивается к нулю, а значит, они обладают единым потенциалом. Если тока нет, то они не влияют на прибор. Так что ветви abc и acd расположены параллельно и каждая обладает полным напряжением источника. У b и d наблюдается одинаковый потенциал, поэтому падение их IR также приравнивается. Это используют для поиска неизвестного сопротивления, если ток в гальванометре равен 0.

Подобный метод гарантирует точность, если выполнены два условия: ток в гальванометре не может быть равен нулю и всегда есть неопределенность в R₁ и R₂, а R₃ способствует неопределенности в R_x.

---