5. Измерение силы тока и напряжения

Определения и обозначения

Сила электрического тока I — физическая величина, равная отношению заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени t: I = q/t. Единица силы тока — ампер (А). По этой величине судят, насколько интенсивно движутся заряженные частицы в цепи.

Амперметр — прибор для измерения силы тока. Его включают в цепь последовательно, то есть ток проходит через сам прибор и исследуемый участок один за другим. Так можно измерить именно тот ток, который течёт через выбранный элемент.

Электрическое напряжение U — работа электрического поля по перемещению единичного заряда: U = A/q. Единица напряжения — вольт (В). Напряжение характеризует, какую энергию поле передаёт каждому кулону заряда.

Вольтметр измеряет напряжение между двумя точками электрической цепи. Его подключают параллельно нужному участку, соединяя щупы с его концами. Поэтому прибор показывает разность потенциалов именно на этом элементе.

Как это устроено

Формула I = q/t следует из смысла силы тока: нужно узнать, сколько заряда проходит за одну секунду. Если за одинаковое время проходит больший заряд, ток сильнее, поэтому I увеличивается вместе с q. Если тот же заряд проходит дольше, сила тока уменьшается, поэтому t стоит в знаменателе.

Из формулы можно выразить неизвестную величину. Заряд находят так: q = It, а время — так: t = q/I. Перед вычислением время переводят в секунды, например 2 минуты равны 120 секундам, иначе единица результата будет неправильной.

Амперметр включают последовательно, потому что в последовательной цепи через все элементы проходит один и тот же ток. Малое внутреннее сопротивление прибора почти не увеличивает общее сопротивление цепи. Поэтому после подключения амперметра сила тока изменяется незначительно.

Вольтметр соединяют параллельно, поскольку напряжение — это разность потенциалов между двумя точками. При таком подключении прибор оказывается на тех же концах, что и измеряемый элемент. Большое сопротивление вольтметра ограничивает ток через него, поэтому основная цепь почти не меняется.

Клемму «+» прибора соединяют с точкой цепи, имеющей более высокий потенциал, а клемму «−» — с точкой более низкого потенциала. При обратной полярности цифровой прибор может показать знак «минус», а стрелка аналогового отклонится в обратную сторону. Для измерения выбирают предел, превышающий ожидаемое значение, затем определяют цену деления как отношение предела шкалы к числу её делений.

Сравнение амперметра и вольтметра

Таблица помогает быстро определить назначение прибора и способ его включения. Сначала найдите измеряемую величину, затем проверьте сопротивление и полярность. При сомнении выбирайте больший предел измерения, а после подключения считывайте показание с учётом цены деления.

Разбор задач

Задача 1. Через проводник за 2 минуты прошёл заряд 60 Кл. Определим силу тока. В условии известны q и t, поэтому подходит формула I = q/t.

1. Переведём время в секунды: t = 2 · 60 = 120 с.
2. Подставим данные: I = 60 Кл / 120 с = 0,5 А.
3. Проверим единицу: кулон, делённый на секунду, даёт ампер.

Ответ: сила тока равна 0,5 А.

Задача 2. Нужно измерить ток через лампу и напряжение на ней. Амперметр должен оказаться на том же пути, что и лампа, а вольтметр — между двумя её выводами.

1. Разорвём провод на участке с лампой и вставим туда амперметр последовательно.
2. Подключим вольтметр параллельно лампе, соединив его клеммы с двумя выводами лампы.
3. Проверим полярность: положительные клеммы обоих приборов соединяем со стороной цепи, имеющей больший потенциал.

Ответ: амперметр подключают последовательно с лампой, а вольтметр — параллельно ей.

Задача 3. Амперметр с пределом 3 А имеет шкалу на 30 делений и показывает 18 делений. Вольтметр с пределом 15 В на такой же шкале показывает 22 деления. Сначала найдём цену одного деления для каждого прибора.

1. Для амперметра цена деления: 3 А / 30 = 0,1 А. Показание равно 18 · 0,1 А = 1,8 А.
2. Для вольтметра цена деления: 15 В / 30 = 0,5 В. Показание равно 22 · 0,5 В = 11 В.
3. Сравним результаты с пределами: 1,8 А меньше 3 А, а 11 В меньше 15 В, поэтому оба показания допустимы.

Ответ: сила тока равна 1,8 А, напряжение — 11 В.

Типичные ошибки

Амперметр подключают параллельно источнику или участку цепи, потому что путают его с вольтметром. Из-за малого сопротивления прибор почти замыкает цепь, и ток становится опасно большим. Проверка проста: путь тока должен проходить через амперметр, а не обходить его по параллельной ветви.

Вольтметр включают последовательно, считая, что любой прибор нужно вставлять в разрыв цепи. Его большое сопротивление резко уменьшает ток, поэтому схема начинает работать иначе. Нужно проверить, соединены ли щупы с двумя концами измеряемого участка.

Полярность иногда перепутывают, не обращая внимания на знаки «+» и «−». В результате цифровое показание может стать отрицательным, а стрелка аналогового прибора отклонится в обратную сторону и может повредиться. Перед включением сравните полярность клемм с направлением напряжения в цепи.

Показание считывают без учёта предела, цены деления или приставки единицы. Поэтому число делений принимают за амперы или вольты напрямую, хотя шкала требует пересчёта. Самопроверка: разделите предел на число делений и умножьте результат на отсчитанное число делений.

Связь с другими темами

Для понимания измерений нужны знания об электрическом заряде, токе, цепи, работе электрического поля и единицах СИ. Эти навыки далее используются при изучении закона Ома и сопротивления проводников. Они также помогают рассчитывать последовательные и параллельные цепи, выполнять лабораторные работы и безопасно собирать простые электрические схемы.

Что запомнить

• Сила тока равна отношению заряда ко времени: I = q/t.
• Единица силы тока — ампер, единица напряжения — вольт.
• Амперметр включают последовательно.
• Вольтметр подключают параллельно измеряемому участку.
• Сопротивление амперметра должно быть малым, а сопротивление вольтметра — большим.
• Перед измерением выбирают подходящий предел и проверяют полярность.
• Показания определяют по цене деления и выбранному пределу измерения.