Потенциометр — это прибор для измерения напряжения или «разности потенциалов» путем сравнения неизвестного напряжения с известным опорным напряжением . Если используется чувствительный индикаторный прибор, от источника неизвестного напряжения потребляется очень небольшой ток. Поскольку опорное напряжение может быть получено от точно откалиброванного делителя напряжения , потенциометр может обеспечить высокую точность измерения. Метод был описан Иоганном Кристианом Поггендорфом около 1841 года и стал стандартной лабораторной измерительной техникой. [1]
В этой конструкции часть известного напряжения от резистивного скользящего провода сравнивается с неизвестным напряжением с помощью гальванометра . Скользящий контакт или движок потенциометра регулируется, и гальванометр на короткое время подключается между скользящим контактом и неизвестным напряжением. Отклонение гальванометра наблюдается, и скользящий отвод регулируется до тех пор, пока гальванометр больше не отклоняется от нуля. В этот момент гальванометр не потребляет ток от неизвестного источника, и величину напряжения можно рассчитать по положению скользящего контакта.
Этот метод измерения нулевого баланса по-прежнему важен в электротехнической метрологии и стандартизации, а также используется в других областях электроники.
Измерительные потенциометры делятся на четыре основных класса, перечисленных ниже.
Принцип действия потенциометра заключается в том, что потенциал, падающий на участке провода постоянного сечения, по которому течет постоянный ток, прямо пропорционален его длине. Потенциометр — это простое устройство, используемое для измерения электрических потенциалов (или сравнения ЭДС элемента). Одна из форм потенциометра — это однородный провод с высоким сопротивлением, прикрепленный к изолирующей опоре, на которой нанесена линейная измерительная шкала. При использовании регулируемый источник напряжения E, имеющий большую величину, чем измеряемый потенциал, подключается к проводу таким образом, чтобы через него проходил постоянный ток.
Между концом провода и любой точкой вдоль него будет потенциал, пропорциональный длине провода до этой точки. Сравнивая потенциал в точках вдоль провода с неизвестным потенциалом, можно определить величину неизвестного потенциала. Прибор, используемый для сравнения, должен быть чувствительным, но не обязательно должен быть особенно хорошо откалиброванным или точным, пока его отклонение от нулевого положения можно легко обнаружить.
В этой схеме концы провода с одинаковым сопротивлением R 1 подключены к регулируемому источнику постоянного тока V S для использования в качестве делителя напряжения. Сначала потенциометр калибруется путем установки движка (стрелка) в точке на проводе R 1 , которая соответствует напряжению стандартной ячейки, так что
Используется стандартная электрохимическая ячейка , ЭДС которой известна (например, 1,0183 вольта для стандартной ячейки Вестона ). [2] [3]
Затем напряжение питания V S регулируется до тех пор, пока гальванометр не покажет ноль, указывая, что напряжение на R 2 равно стандартному напряжению элемента.
Неизвестное постоянное напряжение, последовательно с гальванометром, затем подключается к скользящему движку через переменную длину сечения R 3 резистивного провода. Движок перемещается до тех пор, пока ток не перестанет поступать в источник неизвестного напряжения или выходить из него, как показывает гальванометр, последовательно с неизвестным напряжением. Напряжение на выбранном участке R 3 провода тогда равно неизвестному напряжению. Последний шаг — вычислить неизвестное напряжение из доли длины резистивного провода, которая была подключена к неизвестному напряжению.
Гальванометр не нуждается в калибровке, поскольку его единственная функция — считывать ноль или не ноль. При измерении неизвестного напряжения и показании гальванометра ноль ток не берется из неизвестного напряжения, и поэтому показание не зависит от внутреннего сопротивления источника, как если бы это был вольтметр с бесконечным сопротивлением .
Поскольку резистивный провод можно сделать очень однородным по сечению и сопротивлению, а положение движка можно легко измерить, этот метод можно использовать для измерения неизвестных напряжений постоянного тока, больших или меньших калибровочного напряжения, создаваемого стандартной ячейкой, без потребления тока от стандартной ячейки.
Если потенциометр подключен к источнику постоянного напряжения, например, свинцово-кислотному аккумулятору , то для калибровки потенциометра можно использовать второй переменный резистор (не показан), изменяя ток через провод сопротивления R1 .
Если длина провода сопротивления R 1 равна AB, где A — конец (-), а B — конец (+), а подвижный движок находится в точке X на расстоянии AX на участке R 3 провода сопротивления, когда гальванометр показывает нулевое значение для неизвестного напряжения, расстояние AX измеряется или считывается с предварительно напечатанной шкалы рядом с проводом сопротивления. Затем можно рассчитать неизвестное напряжение:
Потенциометр постоянного сопротивления — это вариация базовой идеи, в которой переменный ток подается через фиксированный резистор. Они используются в основном для измерений в диапазоне милливольт и микровольт.
Это форма потенциометра постоянного сопротивления, описанного выше, но разработанная для минимизации эффектов контактного сопротивления и термоэдс. Это оборудование удовлетворительно используется вплоть до показаний около 1000 нВ.
Еще одной разработкой стандартных типов стал «термопара-потенциометр», специально адаптированный для измерения температуры с помощью термопар . [4] Потенциометры для использования с термопарами также измеряют температуру, при которой подключены провода термопары, так что компенсация холодного спая может применяться для корректировки кажущейся измеренной ЭДС до стандартной температуры холодного спая 0 градусов по Цельсию.
Для потенциометрического определения аналита в растворе измеряется потенциал ячейки. Это измерение должно быть скорректировано для опорного и переходного потенциалов. Его также можно использовать в методах стандартизации. Затем концентрацию аналита можно рассчитать по уравнению Нернста . Существует множество разновидностей этого основного принципа для количественных измерений.
Мостовой измерительный прибор — это простой тип потенциометра, который можно использовать в школьных научных лабораториях для демонстрации принципа измерения сопротивления потенциометрическими средствами. Провод сопротивления прокладывается вдоль длины метровой линейки , а контакт с проводом осуществляется через гальванометр с помощью ползунка. Когда гальванометр показывает ноль, отношение длин проводов слева и справа от ползунка равно отношению значений известного и неизвестного резистора в параллельной цепи. [5]
