전위차계

전위차계(potentiometer)는 미지의 전압을 알려진 전압과 비교하여 전압 또는 '전위차'를 측정하는 기기이다. 감도가 높은 지시 기기를 사용하면 미지의 전압원에서 아주 적은 전류만 흐르게 된다. 기준 전압은 정확하게 전압 나누개로 생성될 수 있으므로 전위차계는 측정에서 높은 정밀도를 제공할 수 있다. 이 방법은 1841년경 요한 크리스티안 포겐도르프에 의해 기술되었으며 표준 실험실 측정 기술이 되었다.^[1]

이 배열에서 저항 슬라이드 와이어에서 나오는 알려진 전압의 일부가 검류계를 사용하여 미지의 전압과 비교된다. 전위차계의 슬라이딩 접점 또는 와이퍼가 조정되고 검류계는 슬라이딩 접점과 미지의 전압 사이에 잠시 연결된다. 검류계의 편향이 관찰되고 검류계가 더 이상 0에서 편향되지 않을 때까지 슬라이딩 탭이 조정된다. 이 지점에서 검류계는 미지의 전원으로부터 전류를 끌어오지 않으며, 전압의 크기는 슬라이딩 접점의 위치에서 계산할 수 있다.

이 영점 균형 측정 방법은 도량형학 및 표준 작업에서 여전히 중요하며 전자공학의 다른 분야에서도 사용된다.

측정 전위차계는 아래에 나열된 네 가지 주요 클래스로 나뉜다.

작동 원리

내장 검류계 및 기준 전압원이 있는 다이얼 전위차계

전위차계의 원리는 일정한 전류가 흐르는 균일한 단면적을 가진 와이어의 한 부분에 걸쳐 발생하는 전위 강하가 그 길이에 정비례한다는 것이다. 전위차계는 전기적 전위(또는 전지의 기전력을 비교)를 측정하는 데 사용되는 간단한 장치이다. 한 형태의 전위차계는 선형 측정 눈금이 표시된 절연 지지대에 부착된 균일한 고저항 와이어이다. 사용 시, 측정할 전위보다 더 큰 크기의 조절된 전압원 E가 와이어에 연결되어 꾸준한 전류가 흐르도록 한다.

전선 끝과 그 위의 임의의 지점 사이에는 전선의 길이에 비례하는 전위가 존재한다. 전선 위의 지점에서 발생하는 전위를 미지의 전위와 비교함으로써 미지의 전위의 크기를 결정할 수 있다. 비교에 사용되는 계측기는 민감해야 하지만, 원점으로부터의 편차를 쉽게 감지할 수 있다면 특별히 잘 교정되거나 정확할 필요는 없다.

정전류 전위차계

전위차계를 교정하고 미지의 전압을 측정하는 모습.
R₁은 전체 저항선의 저항이다. 화살표 머리는 움직이는 와이퍼를 나타낸다.

이 회로에서 균일한 저항선 R₁의 양 끝은 전압 분배기로 사용하기 위해 조절된 직류 전원 V_S에 연결된다. 전위차계는 먼저 와이퍼(화살표)를 R₁ 선상의 표준 전지 전압에 해당하는 지점에 위치시켜 ${\displaystyle {R_{2} \over R_{1}}={{\mbox{cell voltage}} \over V_{\mathrm {S} }}}$가 되도록 교정한다.

기전력이 알려진 표준 전기화학 전지가 사용된다 (예: 웨스턴 표준 전지의 경우 1.0183볼트).^[2][3]

그런 다음 검류계가 0을 나타낼 때까지 전원 전압 V_S를 조정하여 R₂의 전압이 표준 전지 전압과 같음을 나타낸다.

검류계와 직렬로 연결된 미지의 직류 전압은 저항선의 가변 길이 부분 R₃을 가로질러 슬라이딩 와이퍼에 연결된다. 미지의 전압과 직렬로 연결된 검류계가 나타내는 바와 같이, 미지의 전압원으로부터 전류가 흐르지 않을 때까지 와이퍼를 움직인다. 그러면 선택된 R₃ 선 부분의 전압은 미지의 전압과 같아진다. 마지막 단계는 저항선의 미지의 전압에 연결된 길이의 비율로부터 미지의 전압을 계산하는 것이다.

검류계는 0 또는 0이 아님을 읽는 것이 유일한 기능이므로 교정할 필요가 없다. 미지의 전압을 측정하고 검류계가 0을 읽을 때, 미지의 전압으로부터 전류가 흐르지 않으므로 측정값은 마치 무한 저항의 전압계처럼 소스의 내부 저항과 무관하다.

저항선은 단면과 비저항이 매우 균일하게 만들어질 수 있고, 와이퍼의 위치는 쉽게 측정될 수 있기 때문에 이 방법은 표준 전지로부터 전류를 흐르게 하지 않고 표준 전지에 의해 생성된 교정 전압보다 크거나 작은 미지의 직류 전압을 측정하는 데 사용될 수 있다.

납 축전지와 같은 정전압 직류 전원에 전위차계가 연결된 경우, 두 번째 가변 저항(표시되지 않음)을 사용하여 R₁ 저항선을 통해 흐르는 전류를 변경하여 전위차계를 교정할 수 있다.

R₁ 저항선의 길이가 AB이고, A가 (-) 끝, B가 (+) 끝이며, 검류계가 미지의 전압에 대해 영점을 나타낼 때 저항선 R₃ 부분에서 가동 와이퍼가 AX 거리에 있는 점 X에 있다면, AX 거리는 저항선 옆에 미리 인쇄된 눈금에서 측정하거나 읽는다. 그런 다음 미지의 전압을 다음 공식으로 계산할 수 있다. ${\displaystyle V_{U}=(Calibration\ Cell\ Voltage){AX \over AB}}$

정저항 전위차계

정저항 전위차계는 고정 저항을 통해 가변 전류를 공급하는 기본 아이디어의 변형이다. 이들은 주로 밀리볼트 및 마이크로볼트 범위의 측정에 사용된다.

마이크로볼트 전위차계

이것은 위에서 설명한 정저항 전위차계의 한 형태이지만 접촉 저항 및 열 기전력의 영향을 최소화하도록 설계되었다. 이 장비는 약 1000 nV 정도의 판독값까지 만족스럽게 사용된다.

열전대 전위차계

표준 유형의 또 다른 발전은 열전대를 이용한 온도 측정에 특별히 적합한 '열전대 전위차계'였다.^[4] 열전대와 함께 사용되는 전위차계는 열전대 전선이 연결되는 온도도 측정하여, 측정된 겉보기 기전력을 표준 냉접점 온도 0도 C로 보정하기 위해 냉접점 보상을 적용할 수 있다.

분석화학

용액 내 분석물의 전위차 측정법을 결정하려면 전지의 전위를 측정해야 한다. 이 측정값은 기준 전위와 접합 전위에 대해 보정되어야 한다. 또한 표준화 방법에도 사용할 수 있다. 그런 다음 네른스트 식으로부터 분석물의 농도를 계산할 수 있다. 정량 측정을 위한 이 기본 원리의 여러 변형이 존재한다.

미터 브리지

미터 브리지는 전위차 측정 수단에 의한 저항 측정 원리를 학교 과학 실험실에서 시연하는 데 사용될 수 있는 간단한 유형의 전위차계이다. 저항선은 미터자 길이에 따라 놓여 있으며, 슬라이더에 의해 검류계를 통해 선과 접촉된다. 검류계가 0을 읽을 때, 슬라이더의 왼쪽과 오른쪽 저항선의 길이 비율은 병렬 회로에 있는 알려진 저항과 미지의 저항 값의 비율과 같다.^[5]

같이 보기

• 휘트스톤 브리지