5. Измерение силы тока и напряжения

Определения и обозначения

Амперметр — прибор для измерения силы тока; единица силы тока — ампер (А). На электрической схеме амперметр обозначают кругом с буквой A и включают последовательно с участком цепи. Такое подключение позволяет измерить ток, проходящий именно через этот участок.

Вольтметр — прибор для измерения электрического напряжения; единица напряжения — вольт (В). На схеме его обозначают кругом с буквой V и подключают параллельно элементу или участку цепи. Так прибор сравнивает электрические потенциалы на концах того, что измеряют.

Предел измерения — наибольшее значение величины, которое можно измерить на выбранном диапазоне прибора. Например, при пределе 3 А показание не должно превышать 3 А. Знание предела помогает выбрать безопасный диапазон и не перегрузить прибор.

Цена деления — значение величины, соответствующее одному промежутку между соседними отметками шкалы. Её находят, разделив разность значений двух отметок на число промежутков между ними. Цена деления нужна, чтобы перевести положение стрелки в измеряемое значение.

Как это устроено

Амперметр включают последовательно, потому что при таком соединении через все элементы одной ветви проходит один и тот же ток. Прибор оказывается на пути тока, который нужно измерить. Если подключить его параллельно участку, он станет отдельной ветвью с очень малым сопротивлением и может резко изменить ток в цепи.

Внутреннее сопротивление амперметра должно быть очень малым по сравнению с сопротивлением участка. При последовательном соединении сопротивления складываются, поэтому большое сопротивление прибора уменьшило бы ток и исказило результат. Малое сопротивление позволяет почти не менять режим цепи и получить значение, близкое к тому, которое было бы без прибора.

Вольтметр подключают параллельно, потому что напряжение — это разность потенциалов между двумя точками. Чтобы измерить её, к этим точкам присоединяют два контакта прибора. При последовательном включении вольтметр не сравнивал бы потенциалы концов нужного элемента, а сам влиял бы на ток в цепи.

Сопротивление вольтметра делают очень большим. Параллельно подключённый прибор образует дополнительную ветвь, и через неё течёт ток; при большом сопротивлении этот ток мал. Поэтому вольтметр почти не отбирает ток у измеряемой цепи и меньше изменяет распределение токов и напряжений.

Сначала оценивают, каким может быть измеряемое значение, и выбирают предел выше этой оценки; если она неизвестна, начинают с наибольшего предела. Для аналоговой шкалы находят цену деления, считают промежутки от нуля до стрелки и умножают их число на цену деления. Чтобы измерять больший ток, параллельно амперметру подключают шунт — проводник с малым сопротивлением, через который проходит часть тока. Диапазон вольтметра расширяют добавочным сопротивлением, включённым с ним последовательно: оно принимает на себя часть напряжения.

Сравнение амперметра и вольтметра

Сначала определите, какую величину нужно измерить, затем выберите прибор и проверьте его способ подключения. Перед считыванием показания убедитесь, что используете шкалу выбранного диапазона. Таблица показывает, почему приборы нельзя менять местами в цепи.

Разбор задач

Задача 1. Амперметр с пределом измерения 3 А имеет шкалу из 30 делений. Стрелка остановилась на 18-м делении. Требуется найти силу тока. Считаем шкалу равномерной и отсчитываем деления от нуля.

1. Находим цену деления: 3 А / 30 = 0,1 А.
2. Умножаем цену деления на число делений: I = 18 · 0,1 А = 1,8 А.
3. Проверяем результат: он меньше предела 3 А, значит, укладывается в выбранный диапазон.

Ответ: сила тока равна 1,8 А. Здесь предел задаёт значение всей шкалы, а не показание стрелки.

Задача 2. К резистору сопротивлением 20 Ом подключён источник напряжением 12 В. Нужно указать подключения приборов и их показания, считая приборы идеальными. Идеальный амперметр не меняет ток, а идеальный вольтметр не отбирает ток.

1. Амперметр включаем последовательно с резистором, а вольтметр — параллельно резистору.
2. По закону Ома находим ток: I = U/R = 12 В / 20 Ом = 0,6 А.
3. Источник подключён к резистору, поэтому напряжение на нём равно 12 В; идеальный вольтметр покажет 12 В.

Ответ: амперметр покажет 0,6 А, вольтметр — 12 В. Расчёт согласуется с подключением: ток измеряется в общей последовательной ветви, а напряжение — на самом резисторе.

Задача 3. В цепи с источником 24 В и резистором 8 Ом нужно измерить ток и напряжение. Предел амперметра — 1 А, вольтметра — 6 В. Проверим сначала ожидаемые значения: это покажет, подходят ли приборы для непосредственного измерения.

1. По закону Ома ток равен I = 24 В / 8 Ом = 3 А, а напряжение на резисторе — 24 В.
2. Оба результата больше пределов приборов: 3 А > 1 А и 24 В > 6 В. Прямое измерение может перегрузить приборы.
3. Для расширения диапазона амперметра применяют параллельный шунт, который пропускает часть тока. Для вольтметра последовательно подключают добавочное сопротивление, на котором падает часть напряжения.

Ответ: прямое подключение приборов с указанными пределами небезопасно. Нужны шунт для амперметра и добавочное сопротивление для вольтметра; их точные значения нельзя найти без данных о внутренних сопротивлениях приборов.

Типичные ошибки

• Амперметр иногда подключают параллельно участку, принимая его за вольтметр. Из-за малого сопротивления прибора через него может пойти очень большой ток, почти как при коротком замыкании. Проверьте себя: амперметр должен стоять в разрыве последовательной ветви.

• Вольтметр включают последовательно, потому что забывают: он измеряет разность потенциалов между двумя точками. Его большое сопротивление при таком включении резко уменьшает ток, и цепь работает не так, как нужно для измерения. Проверьте, соединены ли контакты вольтметра с разными концами измеряемого элемента.

• Начинают с малого предела, надеясь получить более точное показание, но не оценивают возможное значение. Если ток или напряжение превышает предел, прибор может перегрузиться. Безопасная проверка — сначала выбрать наибольший подходящий диапазон, а затем при необходимости уменьшать его.

• Цена деления или показание считываются по неверной шкале. Так бывает, если число промежутков считают неправильно или ориентируются на отметки другого диапазона. Проверьте разность соседних подписанных значений, число промежутков между ними и соответствие шкалы выбранному пределу.

Связь с другими темами

Для измерений нужны понятия силы тока и напряжения, закон Ома и правила последовательного и параллельного соединения. Закон Ома позволяет заранее оценить ожидаемые показания и выбрать подходящий диапазон. При сборке цепей измерительные приборы помогают проверить расчёты и экспериментально исследовать закон Ома. Эти навыки пригодятся при изучении электрической мощности, других измерительных приборов и практических электротехнических расчётов.

Что запомнить

• Силу тока измеряют амперметром.
• Напряжение измеряют вольтметром.
• Амперметр включают последовательно.
• Вольтметр подключают параллельно.
• Сопротивление амперметра должно быть малым, а сопротивление вольтметра — большим.
• Перед измерением выбирают подходящий предел и правильно определяют цену деления.
• Для расширения предела амперметра используют шунт, а вольтметра — добавочное сопротивление.