基于Arduino测量电池电动势与内阻实验设计

基于Arduino测量电池电动势与内阻实验设计

詹海洋,庞礼军

贵州师范大学物理与电子科学学院，贵州 贵阳 550025

摘 要：利用Arduino与传感器测量电池电动势与内阻，减少仪器读数、导线电阻和电池内阻较小导致的误差，放宽电池内阻的选用限制，通过excel处理以外接法、内接法、伏阻法、安阻法等4种不同接法的设计，验证理论误差并得到较于传统实验更加精确且直观的实验结果.

关键词：电动势；内阻；Arduino；

作者简介：詹海洋（1998—），男，广东潮州人，研究生，主要从事中学物理学科教学研究

*通讯作者：庞礼军（1973—），男，贵州贵阳人，教授，研究方向：原子与分子物理；课程与教学论；学科教学（物理）。

引言

    在传统测量电池电动势与内阻实验中，实验要求多次调整滑动变阻器以变化得到不同的电流或电压，进而利用伏安法测得实验结果.但实验容易产生多种误差，如：仪器读数误差、外接法或内接法导致的系统误差、导线偶然误差、计算法或图像法带来的处理方法误差.数字化实验时兴的当下，已有朗威等综合数字化实验系统对实验进行改进，但其昂贵与自主操作性低的缺点明显.利用Arduino可自主设计实验，通过excel处理，对比“四法”设计下不同的测量数据并修正结果[1].

1.实验设计

使用Arduino结合电流传感器与电压传感器，以滑动变阻器有无电池接入前后的U-I变化曲线为对比，得到电池的电动势与内阻，通过excel处理不同方法下的实验数据，得到“四法”的不同结果验证理论并修正结果.

2.基于Arduino与传感器的设计

2.1实验设备

Arduino UNO主板、电流传感器、电压传感器、旧电池、滑动变阻器及其他设备材料若干.

2.2主板代码

Int U，int I; / /电压、电流
void setup(){

pinMode(5,INPUT);pinMode(6,INPUT);pinMode(7,INPUT);pinMode(8,INPUT); Serial.begin(9600); / /电路通电

}

void loop(){

U=digitalRead(7)I=digitalRead(8)；

Serial.println(String("电压：") + String(U));输出电压数据

Serial.println(String("电流:") + String(I));输出电流数据

Delay（10）;每间隔0.01s传输一次}

2.3实验操作

将Arduino主板、电压传感器、电流传感器与滑动变阻器连接，滑动变阻器调至最大后通电，记录不同接法下滑动变阻器电压与电流随电阻变化的曲线，如图1与图2所示.

图1 无电池接入的设备连接（内接法）          

图2 无电池接入的伏安特性曲线

得到不同接法下的滑动变阻器的伏安特性曲线后，将电池接入，再记录不同接法下电压与电流变化曲线，对比有无电池接入的伏安特性曲线，将最大值与最小值对应，其差值即为电池的伏安特性曲线，如图3与图4所示.

图3 有电池接入的设备连接（内接法）

图4 有、无电池接入的伏安特性曲线对比

3.误差分析

3.1 主板通电的影响

Arduino需要在12V电压进行，由此实验设计实际是测量连接电池后滑动变阻器“减小”的电压与电流，影响有待研究.

3.2 其他电阻影响

传感器电阻、主板电阻与导线电阻在不同方法下的影响有待确定.

3.3 不同方法造成的综合影响与理论有偏差

部分方法，如外接法，虽然理论上会造成测量电动势小于真实电动势，但外接法也纳入了部分导线，12V电压下导线和电流表分压影响增大.

4.结论

通过Arduino设计数字化测量电池电动势与内阻实验，相较于传统实验不仅可以减少仪器读数、导线内阻和电池内阻较小导致的误差，并能够放宽电池的选用限制，不必专选内阻较大的旧电池，使用较新的电池依然可以得到较好结果.

参考文献

[1]徐建强.全面剖析测电池电动势和内阻实验的“四法五图”[J].教学考试,2022(22):38-43.