§3.5.9  电势差计简介及其应用

（The  application  of  potentiometer）

电势差计在化学实验中的应用主要是测定原电池的电动势和校正电表，是常用的实验装置之一。

一、实验目的(Purpose)：

1. 了解电势差计的工作原理。

2. 掌握常用电势差计的使用方法。

 

二、实验原理(Principle)：

  电势差计是根据补偿原理设计的。所谓补偿原理（也称对消原理）是用一可变的已知电压与待测电池电动势进行比较，用检流计来指示电路中是否有电流通过，当回路中电流为0，即电路平衡后，待测电池的电动势数值即为已知的可变电压，其原理如有图一。

E为工作电池，数值应大于待测电压电动势，E_未知为待测电动势，E_标是标准电池电动势，AB为一均匀的可变电阻，G为检流计，K为双向电键。

首先将电键拨至2端，通过调节可变电阻使AC上的电势差等于标准电动势，则通过检流计的电流强度为0，有

                       I R_AC=E_标                                (3.5.9.1)

然后再将电键拨至1端，同样调节电阻便检流计指示为0，则有

                        I R’_AC=E_未知                            (3.5.9.2)

(2)式比(1)式即得:

                   (3.5.9.3)

                       E_未知=E_标                         (3.5.9.4)

实际使用时为测量方便已将刻度标定好，可直接读取电动势数值。

使用电势差计需应用标准电池，标准电池的电动势非常稳定，温度系数很小，而且电极的可逆性好，常用的是韦斯顿标准电池，其电池式为：

Cd(Hg)∣CdSO₄•8/3H₂O(固)，CdSO₄(饱和溶液)，Hg₂SO₄(糊状)∣Hg

电动势与温度的关系为

Et=1.01860-4.06×10^-5(t-20)-9.5×10^-7(t-20)²    (V)    (3.5.9.5)

t为摄式温度。

电极反应为：

正极：Hg₂SO₄(s) +2e → 2Hg(l)+SO₄^2-  

负极：Cd + SO₄^2- + 8/3H₂O → CdSO₄•8/3H₂O(s) + 2e

电池反应是：Cd + Hg₂SO₄(s) + 8/3H₂O → CdSO₄•8/3H₂O(s) + 2Hg(l)

   

图3.5.9.1 对消法原理

 

三、仪器与药品(Instrument and Reagent)：

1．仪器：

UJ-25型电势差计               EM-2A型数字式电子电位差计

市售的各种干电池、纽扣电池、可充电电池及实验室自制的原电池、水果电池等。

 图3.5.9.2  传统电势差计

 

图3.5.9.3 数字电势差计

四、操作步骤(Procedure)：

UJ-25型电势差计测量电动势的范围是600-10^-6V，但当测量高于1.91111OV时要用分压元件来提高测量上限，以下介绍为低于1.91111OV的测量方法。

1. 将仪器面板左下角转换开关放在“断”的位置，将其下方的“粗”、“细”、“短路”三个电计按钮全都松开，按图示接好检流计、标准电池、待测电池和工作电源，注意不可将正负极接反。

2. 调节温度补偿旋钮，便其读数值与标准电池的电动势一致，标准电池的电动势可根据（5）式计算。

3. 将左下角转换开关置于“标准”位置，按下其下方的“粗”按钮并迅速松开，根据检流计光点偏转的方向和幅度，依次调节面板右侧的“粗”、“中”、“细”、“微”可变电阻，直至检流计示零。

4. 同样按下转换开关下方的“细”按钮迅速松开，重复步骤3；

5. 将转换开关置于“未知”的位置上，调节各读数窗口上下方的测量十进盘，再按下转换开关下方的“粗”调钮并迅速松开，观察检流计光点偏离的情况，并按量程由大至小调节刻度盘，当粗调电流计示零后再按下“细”调钮同样操作，直至检流计示零。

6. 将各窗口显示的数值乘以相应的十的幂次方并相加即为待测电池的电动势。

 

EM-2A型数字式电子电势差计采用了精度极高的参考电压集成块作比较电压，从而可代替标准电池。被测电动势与参考电压经过精度很高的仪表放大器的比较输出，在电路平衡时即可显示其大小。其测量范围0~1.5V，精度为10^-5V。

操作步骤

1. 打开仪器电源开关后，两组液晶显示窗口即亮，预热5分钟。

2. 将被测电池的正负极与仪器相应的红黑接线柱相连。左侧窗口显示的是内部高精度电源电压值，右侧窗口通常是“999”或“-999”，如显示均为7，则指示被测电动势超量程。

3. 估计被测电池电动势，将“电位选择”开关拨至相应档位，该仪器档位分“0.3V”、“0.6V”、“1V”、“1.5V”、“2V”五档，分别对应0~0.3V，0.3~0.6V，0.6~1.0V，1.0~1.5V，1.5~2.0V，观察“平衡指示”，若为“999”，此档需向左（小）换档，若为“-999”此档需向右（大）换档，再进一步调节电位器即可选出正确档位。

4. 将面板上的钮子开关拨至“调零”位置后，调节“零位调节”钮，使“平衡指示”窗口数值显示为0，“电动势指示”窗口显示为“----”。

5. 将钮子开关再拨至“测量”位置，依次调节“平衡调节”处的“粗”、“细”旋钮，使“平衡指示”窗口数码显示在零附近，当“电动势指示”数码显示值稳定后，即为被测电动势值，由于该仪器的放大倍数以及数模转换电路的精度很高，因而窗口显示的数值在小范围内摆动属正常。

6. 测量完毕后应将电池及时取下。

 

五、数据处理(Data processing)：

完成下列表格

室温           ； 大气压：       

仪器型号：          ：待测电池类型：      

 

测量次数	电池电动势（V）
1 2 3 平均值

 

六、思考题(Problem)：

1. 通过精密测定电池电动势，对市场上各种型号、厂家生产的电池质量作一评价，完成一篇调研报告。

2. 设计一个测量生物体不同部位电势的方法，并介绍其在医疗上的应用。