基于電流熱效應談電流的測量

沈陽航空航天大學 遼寧 沈陽 110136

引言

本實驗設計一個通過電流熱效應來測量電流的裝置，通過電流的熱效應可以測功率或熱能，本次實驗通過測量熱能的多少來測量電流的大小，通過實驗分析實驗裝置的準確性、精密性以及局限性。

1 預實驗

本部分內容主要描述如何設計預實驗，預實驗觀察到了哪些現象，與題中描述的現象是否一致。此外，需要談一談設計這樣一個預實驗有哪些目的，對后續的研究有怎樣的指導意義[1]。

對于實驗裝置，首先要確定它是否具有測量可行性的能力，通過測量水的比熱容與實際比熱容相比較，初步驗證本實驗裝置測量的可行性。

圖1 預實驗擬合曲線

通過以上實驗初步驗證本實驗裝置測量相關物理量的可行性，即可以用來進行電流的測量。通過實驗以比熱容誤差在%1左右，求取比熱容最佳質量區間【156 165.4】，然后進行測電流實驗。

2 理論分析

當一個孤立的熱學系統處于平衡態時，它有一初溫。當該系統吸收外界一定熱量后，它又處于一個新的平衡態時，有一末溫。如果該系統中沒有發生化學變化和相變，那么該系統獲得的熱量為

式中m 為所測水的質量，c為水的比熱容；

實驗裝置用自制電阻式加熱設備加熱，當加熱電阻絲R兩端加上恒定電源，在一定時間t內則系統放出的熱量為；

通電前后測得水的初溫和未溫分別為和[2]，在測量中沒有熱散逸的情況下有：

3 實驗驗證

3.1 實驗裝置

圖2 實驗裝置

3.2 實驗流程

圖3 實驗測量流程圖

實驗測量流程圖如圖3所示，首先打開實驗裝置，連接好所測電流的支路，并對裝置進行初始化，接下來完成初始溫度以及液體質量的測量，判斷繼電器是否開通，開通并開始計時，實驗裝置開始運行，一定時間后，判斷繼電器是否關斷，關斷即為停止加熱并停止計時，通過模數轉換將模擬量轉換為數字量，并給單片機，通過LED顯示，然后返回[3]。

3.3 實驗數據

3.4 實驗數據處理

將上圖表1的數據以t為橫坐標，ΔT為縱坐標，繪制出如圖一的曲線

圖4 ΔT-t擬合曲線圖

加熱電阻絲兩端的電壓U=8.03V，水的質量m=160.1g，電阻R=6.0Ω，比熱容c=4.186Kkj/(kg*℃)[4]

I(理論)=U/R=8.03/6.0=1.34(A)

3.5 誤差分析

主要誤差有儀器誤差：測量質量，電阻時儀器顯示位數只有一位有效數字，造成一定的系統誤差；繼電器的開通關斷需要一定的時間，造成時間測量上的系統誤差；比熱容以常值計算引起的附加誤差；計算公式中的R未考慮導線中的電阻，造成理論上的誤差；溫度傳感器顯示示數時的跳動造成隨機誤差，讀數時讀取及格跳變值求取平均值[5]。

由excll求得，決定系數R2=0.999

殘差平方和RSS=0.998

4 結束語

該實驗裝置在特定的區間內，由誤差分析知它能通過電熱效應相對較好的測量出電流的大小。測量較均勻，隨機誤差分布范圍窄，測得的值密集、精確度高。局限性；考慮到實驗裝置的散熱，將加熱時間控制在三分鐘以內。考慮到比熱容的相對誤差在1%左右，選取區間范圍較窄。

對未來的展望；對每一個物理量進行更精確的測量，改進實驗裝置的保溫性，拓展實驗裝置的測量區間，查閱資料確定減少和消除產生系統誤差的根源以及消除誤差引進的修正方法[6]。