ポテンショメータ（計測器）

ポテンショメータは、未知の電圧と既知の基準電圧を比較して電圧または「電位差」を測定するための機器です。感度の高い指示計器を使用すると、未知の電圧源から非常に小さな電流が引き出されます。基準電圧は正確に較正された電圧分割器から生成できるため、ポテンショメータは測定において高い精度を提供できます。この方法は、1841年頃にヨハン・クリスチャン・ポッゲンドルフによって説明され、標準的な実験室測定技術になりました。^[1]

この配置では、抵抗スライドワイヤからの既知の電圧の一部が、ガルバノメータによって未知の電圧と比較されます。ポテンショメータのスライド接点またはワイパーを調整し、ガルバノメータをスライド接点と未知の電圧の間に短時間接続します。ガルバノメータの偏向を観察し、ガルバノメータがゼロから偏向しなくなるまでスライドタップを調整します。その時点で、ガルバノメータは未知のソースから電流を引き込まず、スライド接点の位置から電圧の大きさを計算できます。

このヌルバランス測定方法は、電気計測や標準化作業において今でも重要であり、電子機器の他の分野でも使用されています。

測定ポテンショメータは、以下に示す 4 つの主なクラスに分類されます。

ポテンショメータの原理は、一定の電流が流れる均一な断面のワイヤのセグメントにかかる電位降下が、ワイヤの長さに正比例するというものです。ポテンショメータは、電位を測定する (またはセルの起電力を比較する) ために使用される単純なデバイスです。ポテンショメータの 1 つの形式は、均一な高抵抗ワイヤを絶縁サポートに取り付け、直線測定スケールでマークしたものです。使用時には、測定する電位よりも大きい調整可能な安定化電圧源 E をワイヤに接続して、ワイヤに一定の電流を流します。

電線の端と電線上の任意の点の間には、その点までの電線の長さに比例した電位が発生します。電線上の各点の電位を未知の電位と比較することで、未知の電位の大きさを判定できます。比較に使用する機器は感度が高くなければなりませんが、ゼロ位置からの偏差が容易に検出できる限り、特によく校正されている必要も、正確である必要もありません。

この回路では、均一抵抗線R ₁の両端が調整されたDC電源V _Sに接続され、電圧分割器として使用されます。ポテンショメータは、まずワイパー（矢印）をR ₁線上の標準セルの電圧に対応するスポットに配置することで較正され、${\displaystyle {R_{2} \over R_{1}}={{\mbox{cell voltage}} \over V_{\mathrm {S} }}}$

起電力が既知の標準電気化学セル（例えばウェストン標準セルの場合は1.0183ボルト）が使用される。^{[2] [3]}

次に、ガルバノメータがゼロを示し、R ₂の電圧が標準セル電圧に等しいこと を示すまで、供給電圧 V _Sを調整します。

次に、未知の DC 電圧がガルバノメータと直列に接続され、抵抗線の可変長セクション R ₃を横切ってスライド ワイパーに接続されます。未知の電圧と直列に接続されたガルバノメータによって、未知の電圧源に電流が流入または流出しなくなるまでワイパーが移動します。選択された R ₃セクションのワイヤにかかる電圧は、未知の電圧と等しくなります。最後のステップは、未知の電圧に接続された抵抗線の長さの割合から未知の電圧を計算することです。

ガルバノメータは、ゼロかゼロでないかを読み取る機能のみを備えているため、校正する必要はありません。未知の電圧を測定し、ガルバノメータがゼロを読み取った場合、未知の電圧から電流は流れず、無限抵抗の電圧計の場合と同様に、読み取り値はソースの内部抵抗とは無関係になります。

抵抗線の断面積と抵抗率は非常に均一にすることができ、ワイパーの位置も簡単に測定できるため、この方法を使用すると、標準セルから電流を引き出すことなく、標準セルによって生成された校正電圧より大きいか小さい未知の DC 電圧を測定できます。

ポテンショメータが鉛蓄電池などの定電圧 DC 電源に接続されている場合は、2 番目の可変抵抗器 (図示せず) を使用して、R ₁抵抗線を流れる電流を変化させることでポテンショメータを校正できます。

R ₁抵抗線の長さが AB で、A が (-) 端、B が (+) 端の場合、可動ワイパーが抵抗線の R ₃部分の距離 AX の点 X にあるときに、ガルバノメータが未知の電圧に対してゼロの読み取り値を示したときは、距離 AX を測定するか、抵抗線の横にある印刷済みのスケールから読み取ります。未知の電圧は次のように計算できます。${\displaystyle V_{U}=(Calibration\ Cell\ Voltage){AX \over AB}}$

定抵抗ポテンショメータは、可変電流が固定抵抗器に供給されるという基本的な考え方のバリエーションです。これらは主に、ミリボルトおよびマイクロボルトの範囲での測定に使用されます。

これは、上で説明した定抵抗ポテンショメータの一種ですが、接触抵抗と熱起電力の影響を最小限に抑えるように設計されています。この機器は、1000 nV 程度の読み取り値まで問題なく使用できます。

標準タイプのもう一つの開発は、熱電対による温度測定に特化して開発された「熱電対ポテンショメータ」でした。^[4]熱電対用ポテンショメータは、熱電対のワイヤが接続されている温度も測定するため、冷接点補償を適用して、測定された見かけのEMFを標準の冷接点温度である0℃に補正することができます。

溶液中の分析対象物質を電位差測定で測定するには、セルの電位を測定します。この測定値は、参照電位と接合電位に対して補正する必要があります。また、標準化方法にも使用できます。分析対象物質の濃度は、ネルンストの式から計算できます。この基本原理には、定量測定用のさまざまなバリエーションがあります。

メーターブリッジは、学校の理科実験室で電位差計による抵抗測定の原理を説明するために使用できる、シンプルなタイプの電位差計です。抵抗線をメーター定規の長さに沿って敷き、スライダーを介してガルバノメーターで抵抗線と接触させます。ガルバノメーターがゼロを示すとき、スライダーの左右の抵抗線の長さの比は、並列回路内の既知の抵抗器と未知の抵抗器の値の比に等しくなります。^[5]

• ポテンショメータ（電圧分割器）
• ホイートストンブリッジ

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• 測定ポテンショメータの写真
• 各種測定ポテンショメータを含む電気校正装置