Lý thuyết thực hành Bài 1: Điện kế G trong mạch cầu Wheatstone môn Vật lý đại cương 2 | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Vai trò của điện kế G trong mạch cầu Wheatstone
Phát hiện trạng thái cân bằng:
Điện kế G được mắc giữa hai nhánh của cầu. Khi cầu chưa cân bằng, có dòng điện
chạy qua G làm kim lệch. Khi điều chỉnh các điện trở sao cho kim G chỉ 0, tức là
không có dòng qua G, lúc đó mạch đạt trạng thái cân bằng.
oNếu kim G lệch sang trái/phải, ta điều chỉnh R3R3 hoặc R1,R2R1,R2 để đưa về 0.
Độ nhạy cao:
Điện kế G có độ nhạy rất cao (có thể đo dòng cỡ µA), giúp xác định chính xác thời
điểm cầu cân bằng, từ đó tính toán RxRx với sai số nhỏ.
Bảo vệ thiết bị:
Khi bắt đầu đo, điện kế G thường được đặt ở thang đo thô ("THÔ") để tránh quá tải
do dòng điện lớn. Sau khi gần cân bằng, chuyển sang thang "TINH" để tăng độ chính xác.
1. Lý do điều chỉnh dòng điện trong mạch chính có cường độ nhỏ (I = 50mA)
Trong mạch cầu Wheatstone, việc giới hạn dòng điện mạch chính ở mức nhỏ (ví dụ 50mA) là
cần thiết vì các lý do sau:
Tránh làm nóng điện trở cần đo (R
ₓ ) và các điện trở mẫu (R₁, R₂, R₃):
oDòng điện lớn gây ra hiệu ứng Joule (tỏa nhiệt P=I2RP=I2R), làm thay đổi giá
trị điện trở do nhiệt độ tăng, dẫn đến sai số đo.
oMột số điện trở mẫu có công suất định mức thấp, nếu dòng quá lớn có thể làm hỏng chúng.
Giảm ảnh hưởng của điện trở dây nối và tiếp xúc:
oKhi dòng điện nhỏ, điện áp rơi trên các điện trở dây nối và điểm tiếp xúc
không đáng kể, giúp kết quả đo chính xác hơn.
Bảo vệ điện kế G (Galvanometer):
oĐiện kế G là dụng cụ nhạy, chỉ chịu được dòng điện rất nhỏ (cỡ µA đến mA).
Nếu dòng mạch chính quá lớn, điện kế có thể bị quá tải, gây hư hỏng hoặc sai lệch kết quả.
Tăng độ chính xác khi cân bằng cầu:
oMạch cầu Wheatstone hoạt động dựa trên nguyên tắc cân
bằng (R1/R2=R3/RxR1/R2=R3/Rx). Khi dòng điện nhỏ, điện kế G dễ dàng
phát hiện trạng thái cân bằng (kim chỉ về 0) do độ nhạy cao.
2. Lý do ban đầu đặt điện kế G ở chế độ "THÔ", sau đó mới chuyển sang "TINH"
Điện kế G thường có hai chế độ đo:
"THÔ" (Coarse/Độ nhạy thấp): Thang đo rộng, chịu được dòng điện lớn hơn
nhưng độ chính xác thấp.
"TINH" (Fine/Độ nhạy cao): Thang đo hẹp, rất nhạy với dòng điện nhỏ nhưng dễ quá tải.
Quy trình thực hiện:
1. Giai đoạn đầu (dùng "THÔ"):
oKhi chưa biết trạng thái gần cân bằng của cầu, dòng qua G có thể lớn.
oChế độ "THÔ" giúp tránh quá tải cho điện kế, đồng thời cho phép điều chỉnh
thô các điện trở (R , R ,
₁₂₃R ) để tiến gần đến điểm cân bằng.
2. Giai đoạn sau (chuyển sang "TINH"):
oKhi cầu gần cân bằng (kim G lệch nhỏ), chuyển sang chế độ "TINH" để tăng độ nhạy.
oLúc này, dòng qua G rất nhỏ, chế độ "TINH" giúp phát hiện chính xác thời
điểm cân bằng (IG=0IG=0), từ đó xác định RxRx với sai số tối thiểu. Ưu điểm
Bảng so sánh tóm tắt Tiêu chí
Mạch xung đối Vôn kế
Độ chính xác Rất cao (không phụ
thuộc rr)Thấp hơn (do ảnh hưởng rr)
Ảnh hưởng của dòng Không có dòng khi cân
bằng Có dòng rò qua vôn kế điện
Điện trở dụng cụ đo Không ảnh hưởng
Gây sai số nếu RVRV không đủ lớn
Phù hợp nguồn rr lớn Tốt Kém chính xác Hiệu chuẩn Chỉ cần nguồn
chuẩn E0E0Cần hiệu chuẩn vôn kế định kỳ Kết luận
Phương pháp mạch xung đối vượt trội so với dùng vôn kế nhờ:
Độ chính xác tuyệt đối khi Ex=E0Ex=E0.
Không phụ thuộc vào điện trở trong, dây dẫn, hoặc dụng cụ đo.
Là phương pháp chuẩn để đo suất điện động trong phòng thí nghiệm, đặc biệt với
nguồn có điện trở trong cao.
Tại sao giữ ampe kế không đổi:
Việc giữ dòng điện qua miliampe kế A không đổi giúp:
✅ Loại bỏ sai số do điện trở trong, dây dẫn, và nhiệt độ.
✅ Đảm bảo điều kiện cân bằng chính xác khi đo Ex.
✅ Tăng độ tin cậy của kết quả đo, đặc biệt quan trọng trong phòng thí nghiệm chuẩn.
Tóm tắt ưu điểm của quy trình Giai đoạn Mục đích Lợi ích "THÔ" ban
Bảo vệ điện kế, điều chỉnh Tránh quá tải, nhanh chóng tiếp cận đầu thô vùng cân bằng. "TINH" sau
Xác định chính xác điểm
Độ nhạy cao, sai số nhỏ, kết quả đáng tin cùng cân bằng cậy. Kết luận
Thao tác "THÔ → TINH" trên điện kế G là bắt buộc trong các phép đo chính xác để:
An toàn: Tránh hư hỏng dụng cụ do dòng điện lớn.
Hiệu quả: Kết hợp giữa tốc độ điều chỉnh thô và độ chính xác tinh.
Tối ưu hóa quy trình đo, đặc biệt trong các thí nghiệm vật lý và đo lường kỹ thuật.