實驗簡介
電阻按照阻值大小可分為高電阻(100KW以上)、中電阻(1W ~100KW)和低電阻(1W 以下)三種。一般說導線本身以及和接點處引起的電路中附加電阻約為>0.1W,這樣在測低電阻時就不能把它忽略掉。對惠斯通電橋加以改進而成的雙臂電橋(又稱開爾文電橋)消除了附加電阻的影響,適用于10-5~102 W電阻的測量。本實驗要求在掌握雙臂電橋工作原理的基礎上,用雙臂電橋測金屬材料的電阻率。
實驗原理
我們考察接線電阻和接觸電阻是怎樣對低值電阻測量結果產生影響的。例如用安培表和毫伏表按歐姆定律R=V/I測量電阻Rx,電路圖如圖 1 所示,
考慮到電流表、毫伏表與測量電阻的接觸電阻后,等效電路圖如圖 2 所示。
由于毫伏表內阻Rg遠大于接觸電阻Ri3和Ri4,因此他們對于毫伏表的測量影響可忽略不計,此時按照歐姆定律R=V/I得到的電阻是(Rx+ Ri1+ Ri2)。當待測電阻Rx小于1W時,就不能忽略接觸電阻Ri1和Ri2對測量的影響了。
因此,為了消除接觸電阻對于測量結果的影響,需要將接線方式改成下圖 3方式,將低電阻Rx以四端接法方式連接,等效電路如圖 4 。
此時毫伏表上測得電眼為Rx的電壓降,由Rx = V/I即可準測計算出Rx。接于電流測量回路中成為電流頭的兩端(A、D),與接于電壓測量回路中稱電壓接頭的兩端(B、C)是各自分開的,許多低電阻的標準電阻都做成四端鈕方式。
根據這個結論,就發展成雙臂電橋,線路圖和等效電路圖 5和圖 6所示。 標準電阻Rn電流頭接觸電阻為Rin1、R in2,待測電阻Rx的電流頭接觸電阻為Rix1、R ix2,都連接到雙臂電橋測量回路的電路回路內。標準電阻電壓頭接觸電阻為Rn1、R n2,待測電阻Rx電壓頭接觸電阻為Rx1、Rx2,連接到雙臂電橋電壓測量回路中,因為它們與較大電阻R1、R 2、R3、R相串連,故其影響可忽略。
由圖 5 和圖 6 ,當電橋平衡時,通過檢流計G的電流IG = 0, C和D兩點電位相等,根據基爾霍夫定律,可得方程組(1)
(1)
解方程組得
(2)
通過聯動轉換開關,同時調節R1、R 2、R3、R,使得成立,則(2)式中第二項為零,待測電阻Rx和標準電阻Rn的接觸電阻Rin1、R ix2均包括在低電阻導線Ri內,則有
(3)
實際上即使用了聯動轉換開關,也很難完全做到。為了減小(2)式中第二項的影響,使用盡量粗的導線以減小電阻Ri的阻值(Ri<0.001W),使(2)式第二項盡量小,與第一項比較可以忽略,以滿足(3)式。