5. Измерение силы тока и напряжения

Определения и обозначения

Сила тока — физическая величина, показывающая, какой электрический заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Её обозначают латинской буквой I и измеряют в амперах (А). По силе тока можно судить, насколько интенсивно движутся заряженные частицы в участке цепи. Чтобы узнать ток, например, через лампу, используют амперметр.

Напряжение — физическая величина, характеризующая разность электрических потенциалов между двумя точками и работу поля при перемещении заряда. Напряжение обозначают буквой U, а измеряют в вольтах (В). Оно показывает, насколько различаются условия для зарядов в этих точках. Измерение напряжения помогает проверить, какое электрическое воздействие приходится на отдельный элемент цепи.

Амперметр — прибор для измерения силы тока в электрической цепи. На схемах его обозначают кругом с буквой A внутри. Чтобы показание относилось к выбранному участку, ток этого участка должен пройти через прибор. Поэтому способ подключения амперметра отличается от способа подключения вольтметра.

Вольтметр — прибор для измерения напряжения между двумя точками цепи. На схемах его обозначают кругом с буквой V внутри. Для измерения прибору нужно сравнить электрические состояния двух точек, поэтому его присоединяют к обоим концам проверяемого участка. Так можно определить напряжение на резисторе, лампе или другом элементе.

Как это устроено

Чтобы измерить ток через участок цепи, амперметр включают последовательно с ним: цепь размыкают и вставляют прибор в получившийся промежуток. При последовательном соединении через все элементы проходит один и тот же ток. Значит, ток через амперметр совпадает с током через выбранный участок, и показание соответствует цели измерения. Если поставить прибор в другую ветвь, он покажет ток именно этой ветви, а не обязательно ток через нужный элемент.

Амперметр должен как можно меньше менять измеряемый ток, поэтому его внутреннее сопротивление делают малым. Внутреннее сопротивление — это сопротивление самого прибора прохождению тока. При последовательном включении сопротивления элементов складываются; большое сопротивление амперметра заметно изменило бы ток во всей цепи. Малое сопротивление уменьшает такое влияние, хотя реальный прибор всё равно не абсолютно идеален.

Напряжение измеряют между двумя точками, поэтому вольтметр подключают параллельно участку: его зажимы соединяют с выводами этого участка. Тогда прибор оказывается подключён к тем же двум точкам, между которыми нужно измерить разность потенциалов. Например, чтобы узнать напряжение на лампе, зажимы вольтметра присоединяют к двум контактам лампы. Включать его в разрыв цепи для этого не требуется.

Внутреннее сопротивление вольтметра делают большим, чтобы через него проходил очень небольшой ток. Вольтметр, подключённый параллельно, образует дополнительную ветвь цепи; если его сопротивление мало, через эту ветвь потечёт заметный ток. Тогда изменится распределение токов и напряжений, а сам результат измерения перестанет точно описывать исходную цепь. Большое сопротивление снижает это влияние.

Перед измерением выбирают предел — наибольшее значение, которое прибор может показать на выбранном диапазоне. Если неизвестно, насколько велика величина, безопаснее начать с большего предела и затем уменьшать его для более точного отсчёта. В цепи постоянного тока также соблюдают полярность: положительный зажим прибора соединяют со стороной, откуда условно входит ток. При обратном подключении стрелочный прибор может отклониться в противоположную сторону.

Сравнение амперметра и вольтметра

Сначала определите, какую величину нужно найти: ток через элемент или напряжение на нём. Затем выберите нужный прибор и сверьте способ его подключения с таблицей. Последняя строка помогает проверить, не приведёт ли выбранный вариант к опасному изменению режима цепи.

Разбор задач

Задача 1. На схеме нужно измерить силу тока через лампу. Требуется описать, куда подключить амперметр и как выбрать его полярность. Важно измерить ток именно лампы, а не напряжение на ней или ток другой ветви.

1. Найдём участок, ток в котором нужен: это лампа и соответствующая ей ветвь цепи.
2. Разомкнём эту ветвь и включим амперметр последовательно с лампой, чтобы через оба элемента проходил один и тот же ток.
3. В цепи постоянного тока положительный зажим амперметра соединим со стороной, откуда ток условно входит в прибор; отрицательный — со стороной выхода.

Ответ: амперметр включают последовательно с лампой, соблюдая полярность по направлению условного тока.

Задача 2. На резисторе указано напряжение 6 В. Нужно проверить это значение вольтметром. Измерять следует разность потенциалов между выводами резистора, а не ток через него.

1. Определим две точки, между которыми требуется измерение: это выводы резистора.
2. Подключим один зажим вольтметра к одному выводу, второй — к другому; так прибор окажется параллельно резистору.
3. Выберем предел, который не меньше ожидаемых 6 В. Для постоянного тока подключим положительный зажим к стороне более высокого потенциала, если полярность известна.

Ответ: вольтметр подключают параллельно резистору, непосредственно к его выводам, и выбирают подходящий предел.

Задача 3. Предел амперметра равен 0,6 А, а шкала состоит из 30 делений. Стрелка остановилась на 18-м делении. Найдём цену деления, а затем показание прибора; предполагаем, что нулевая отметка соответствует нулю тока.

1. Разделим предел измерения на число делений: 0,6 А ÷ 30 = 0,02 А на деление.
2. Умножим число делений, на которое отклонилась стрелка, на цену одного деления: 18 × 0,02 А = 0,36 А.
3. Проверим, что результат не превышает предел прибора: 0,36 А меньше 0,6 А, значит показание находится в рабочем диапазоне.

Ответ: цена деления равна 0,02 А, сила тока — 0,36 А.

Типичные ошибки

Амперметр иногда подключают параллельно участку, потому что путают его с вольтметром. При малом сопротивлении прибора параллельная ветвь может пропустить очень большой ток и привести к поломке. Перед включением проверьте: амперметр должен быть вставлен в разрыв цепи, а не соединён с двумя выводами элемента.

Вольтметр могут поставить последовательно, поскольку кажется, что любой прибор нужно вставлять в цепь. Но большое внутреннее сопротивление вольтметра сильно уменьшит ток, поэтому цепь будет работать не так, как без прибора, а измерение окажется неверным. Проверьте, соединены ли зажимы вольтметра с двумя концами элемента: при правильном подключении прибор включён параллельно.

При подключении к источнику постоянного тока иногда меняют местами зажимы. Тогда стрелка аналогового прибора может отклониться в обратную сторону, и показание будет трудно считать; в некоторых случаях это создаёт риск повреждения. Сверьте знаки «+» и «−» на приборе с полярностью источника и направлением условного тока.

Слишком малый предел или неверно рассчитанная цена деления приводят к перегрузке прибора либо ошибочному результату. Такая ошибка возникает, если сразу выбрать чувствительный диапазон без оценки возможного значения или не посчитать промежутки шкалы. Начинайте с безопасного большего предела, затем проверяйте вычисление по шкале и убедитесь, что показание не выходит за её границы.

Связь с другими темами

Для работы с измерительными приборами нужно знать смысл силы тока и напряжения, их обозначения и единицы измерения. Если величины перепутаны, нельзя правильно выбрать прибор или прочитать результат. На электрических схемах также важно различать последовательное и параллельное соединения: именно они задают способ подключения амперметра и вольтметра.

Эти правила пригодятся при изучении закона Ома и расчёте электрических цепей. В лабораторных работах амперметром измеряют ток, а вольтметром — напряжение, в том числе при определении сопротивления. Умение безопасно выбирать предел и снимать показания помогает получать надёжные результаты опыта.

Что запомнить

• Силу тока измеряют амперметром, напряжение — вольтметром.
• Амперметр включают последовательно с участком цепи.
• Вольтметр подключают параллельно участку цепи.
• Сопротивление амперметра должно быть малым.
• Сопротивление вольтметра должно быть большим.
• Перед измерением проверяют предел прибора и полярность подключения.