基于电流热效应谈电流的测量

沈阳航空航天大学 辽宁 沈阳 110136

引言

本实验设计一个通过电流热效应来测量电流的装置，通过电流的热效应可以测功率或热能，本次实验通过测量热能的多少来测量电流的大小，通过实验分析实验装置的准确性、精密性以及局限性。

1 预实验

本部分内容主要描述如何设计预实验，预实验观察到了哪些现象，与题中描述的现象是否一致。此外，需要谈一谈设计这样一个预实验有哪些目的，对后续的研究有怎样的指导意义[1]。

对于实验装置，首先要确定它是否具有测量可行性的能力，通过测量水的比热容与实际比热容相比较，初步验证本实验装置测量的可行性。

图1 预实验拟合曲线

通过以上实验初步验证本实验装置测量相关物理量的可行性，即可以用来进行电流的测量。通过实验以比热容误差在%1左右，求取比热容最佳质量区间【156 165.4】，然后进行测电流实验。

2 理论分析

当一个孤立的热学系统处于平衡态时，它有一初温。当该系统吸收外界一定热量后，它又处于一个新的平衡态时，有一末温。如果该系统中没有发生化学变化和相变，那么该系统获得的热量为

式中m 为所测水的质量，c为水的比热容；

实验装置用自制电阻式加热设备加热，当加热电阻丝R两端加上恒定电源，在一定时间t内则系统放出的热量为；

通电前后测得水的初温和未温分别为和[2]，在测量中没有热散逸的情况下有：

3 实验验证

3.1 实验装置

图2 实验装置

3.2 实验流程

图3 实验测量流程图

实验测量流程图如图3所示，首先打开实验装置，连接好所测电流的支路，并对装置进行初始化，接下来完成初始温度以及液体质量的测量，判断继电器是否开通，开通并开始计时，实验装置开始运行，一定时间后，判断继电器是否关断，关断即为停止加热并停止计时，通过模数转换将模拟量转换为数字量，并给单片机，通过LED显示，然后返回[3]。

3.3 实验数据

3.4 实验数据处理

将上图表1的数据以t为横坐标，ΔT为纵坐标，绘制出如图一的曲线

图4 ΔT-t拟合曲线图

加热电阻丝两端的电压U=8.03V，水的质量m=160.1g，电阻R=6.0Ω，比热容c=4.186Kkj/(kg*℃)[4]

I(理论)=U/R=8.03/6.0=1.34(A)

3.5 误差分析

主要误差有仪器误差：测量质量，电阻时仪器显示位数只有一位有效数字，造成一定的系统误差；继电器的开通关断需要一定的时间，造成时间测量上的系统误差；比热容以常值计算引起的附加误差；计算公式中的R未考虑导线中的电阻，造成理论上的误差；温度传感器显示示数时的跳动造成随机误差，读数时读取及格跳变值求取平均值[5]。

由excll求得，决定系数R2=0.999

残差平方和RSS=0.998

4 结束语

该实验装置在特定的区间内，由误差分析知它能通过电热效应相对较好的测量出电流的大小。测量较均匀，随机误差分布范围窄，测得的值密集、精确度高。局限性；考虑到实验装置的散热，将加热时间控制在三分钟以内。考虑到比热容的相对误差在1%左右，选取区间范围较窄。

对未来的展望；对每一个物理量进行更精确的测量，改进实验装置的保温性，拓展实验装置的测量区间，查阅资料确定减少和消除产生系统误差的根源以及消除误差引进的修正方法[6]。