Методы измерения разности потенциалов

Разность потенциалов может быть измерена разными мето­дами: динамичес­ким, компен­сационным, электростатическим и др. Динами­чес­кий метод измерения разности потенциалов наиболее распространен в науке и технике, а также в учебных лабораториях. В этом методе исполь­зуют­ся вольтметры различных систем (магнито­электри­ческой, электро­магнитной, электродинамической, тепловой) пот­реб­ляющие токи.

Измерение разности потенциалов динамическим методом сводится к измерению тока, протекающего в цепи с извест­ным сопротивлением под действием измеряемой разности по­тенциалов. Этот метод основан на использовании закона Ома для участка цепи без электродвижущей силы: j ₁ - j ₂ = I×R. Вольт­метр в любом случае измеряет разность потенциалов между точками, к которым он присоединен.

На рис. 2 изображена схема для намерения разности потенциалов точек 1 и 2 на концах проводника С С', по которому течет ток I. Под действием этой же разности потенциалов (j ₁ - j ₂) через гальванометр g течет ток I_g. Величина этого тока I_g пропорциональна величине раз­ности потенциалов I_g = (j ₁ - j ₂ )/R_g. Так как сопротивле­ние R_g постоянно, а от­кло­нение стрелки связано с величи­ной тока, протекающего через гальванометр, то можно проградуировать этот прибор в вольтах. Получим прибор для измере­ния разности потенциалов – вольтметр.

Рассмотрим типичный случай включения вольтметра в цепь. Будем считать, что вольтметр подключен к участку без ЭДС (участок aRb, рис. 3). Как всег­да, вольтметр покажет разность потенциалов между точками а и b. Вос­пользовавшись формулой (2), можно судить и о падении напря­жения на этом участке (аRb): j _a - j _b = I×R. Но если считать, что вольт­метр подключен к участку a E b, мы ничего не сможем сказать о падении напряжения на этом участке, так как разность потенциалов точек а и b в дан­ном случае не равна падению напряжения I×r (r - внутрен­нее сопро­тив­ление источника). Правда, если известна вели­чина E и измерена разность потенциалов j _a - j _b, то по формуле (3) можно вычислить (но не измерить) падение на­пряжения. Следовательно, вольтметр, в общем случае, не измеряет падение напряжения. Вольтметр всегда измеряет разность потенциалов j ₁ - j ₂, которая при отсутствии ЭДС между этими точками численно равна I×R₁₂. Но физически разность потенциалов и падение напряжения – различные по­нятия.

Казалось бы, что для определения ЭДС источ­ника E можно исполь­зовать уравнение (1), если непос­редственно замкнуть источник тока на вольтметр. Но при этом через вольтметр пойдет ток. Такой же ток пойдет и внутри источника тока. Так как ЭДС не зависит от тока, а внутри источника тока будет происходить падение напряжения, равное I×r, то, очевидно, разность потенциалов на клеммах уменьшитсяна величину I×r. Вольтметр покажет разность потенциалов, равную (E - I × r), а не E (см. урав­нение 3). Отсюда видно, что вольтметром, потребляющим ток, невозможно точно измерить ЭДС источника тока.

Однако для не слишком точных измерений величину I×r можно считать пренебрежимо малой по сравнению с E при условии, что ток I, потребляемый вольтметром, мал. C этой целью сопротивление вольтметра делают по возможнос­ти большим, порядка 100 1000 Ом на измеряемый вольт. Очень большим внутренним сопротивлением, (~ 10⁶ - 10⁸ Ом) обладают ламповые вольтметры. Практически бесконечное сопротивление имеют электростатические вольтметры и электрометры.

Для измерения малых разнос­тей потен­циалов, в частнос­ти, ЭДС гальванических источ­ни­ков тока, термо- и фото ЭДС, различных химических электро­потенциалов и т.д. применяется компенсационный метод, изучению которого посвящена часть 1 данной работы. В этом ме­тоде может быть достигнута высокая точность измерений (порядка 0,01%). Метод компенсации является в настоящее время одним из основных приемов точных электрических измерений не только разностей потен­циалов, но и токов и сопротивлений.