電位差計による起電力の測定(電圧計では測れない理由)
電池の起電力を電圧計で測ると、いつも本当の値より低く出ます。計器に電流が流れ、そのぶん内部抵抗で電圧が落ちるためです。
電位差計は、電流を にしたまま測ります。既知の起電力 の電池で平衡点が 、未知の電池で なら、答えは 。
割り算 1 回で出ます。目盛りの精度も、電源の安定も要りません。
電圧計が測っているもの
内部抵抗 の電池に電流 が流れているとき、端子に現れる電圧は起電力より小さくなります[1]。
電圧計をつなぐと、その計器自身にも電流が流れます。 が でないかぎり、読めるのは ではありません。
内部抵抗の小さい乾電池なら差はわずか。ところが、内部抵抗が大きい電源では無視できなくなります[2]。
計器に電流が流れる。読みは で、必ず起電力より低い
電流が の点を探す。 の項が消えて、読みがそのまま起電力になる
電流を 0 にする仕組み
長い抵抗線に、別の電源から一定の電流を流しておきます。線に沿って電位がなだらかに下がっていく。
測りたい電池を、線の一端と滑り接点のあいだにつなぎます。あいだには検流計を入れる。
接点を動かすと、線の一部が作る電位差が変わります。それが電池の起電力とちょうど等しくなったところで、検流計の振れが になる[3]。
抵抗線に一定の電流を流しておく
測る電池を検流計ごしにつなぐ
検流計が振れない接点の位置を探す
比べるだけでよい
抵抗線が一様なら、線の一部が作る電位差は長さに比例します。既知の電池と未知の電池で、それぞれ平衡点を探す。
作業電源が線に流している電流の値も、線の抵抗率も、この式には出てきません[3]。2 回の測定のあいだに変わらなければ、消えてしまいます。
例:60.0 cm で平衡
既知の起電力を 、その平衡点を とします。未知の電池は で平衡しました。
長さの比だけで答えが出ました。ものさしの読みが まで正しければ、起電力も 0.2\ \mathrm{%} の精度で決まります。
例:内部抵抗も測れる
同じ装置で、内部抵抗まで出せます。手順は 2 段です。
まず電池だけをつないで起電力を測ります。 でした。
次に電池に の外部抵抗をつなぎ、その両端の電圧を電位差計で測ります。 と出たとします。
流れている電流は 。 から内部抵抗が出ます。
内部抵抗を測るには、電流が流れている状態と流れていない状態 の両方が要ります。
起電力は電流 のとき、端子電圧は電流が流れているとき。差を電流で割れば が出る。
電圧計だとどれだけずれるか
内部抵抗 の電源を、内部抵抗 の電圧計で測ります。読みは分圧の形になる[2]。
乾電池のように が 程度で、電圧計が なら、ずれは の桁。無視できます。
問題になるのは、内部抵抗の大きい電源です。 の電源を の電圧計で測ると、次のようになる。
1\ \mathrm{%} 低く出ました。電位差計ならこのずれが です。
| 測る相手 | 電圧計のずれ | 電位差計 |
|---|---|---|
| 乾電池 | ほぼ | ずれなし |
| の電源 | 1\ \mathrm{%} 低い | ずれなし |
| の電源 | 9\ \mathrm{%} 低い | ずれなし |
検算のしかた
平衡点の長さの比が、起電力の比と一致するかを見ます。起電力の大きい電池ほど、平衡点は遠くなるはず。
作業電源の電圧も確かめておきます。線の全長が作る電位差が測る起電力より小さいと、平衡点が線の外に出てしまい、どこへ動かしても検流計が振れたままになります。
内部抵抗を出したときは、 に戻して端子電圧が再現するかを見る。 で合いました。
既知の起電力 の電池で平衡点が 、未知の電池で でした。未知の起電力はどれですか。
検流計が止まる点を探し、長さの比を掛ける。電流を流さないという 1 点だけで、内部抵抗の影響が式から消えます。
















Ex=1.20×40.070.0=2.10 V です。0.686 V は比を逆にとった値、1.90 V は長さの差を足した場合の値になります。