5. Измерение силы тока и напряжения

Определения и обозначения

Сила тока — физическая величина, характеризующая ток в цепи; её измеряют амперметром. Силу тока обозначают буквой I, а единица измерения — ампер (А). По показанию прибора можно узнать, какой ток проходит через выбранный участок.

Амперметр — прибор для измерения силы тока. Его включают последовательно с участком цепи, то есть так, чтобы ток проходил сначала через участок, а затем через прибор или наоборот. Это позволяет измерить ток именно в исследуемой части цепи.

Напряжение — физическая величина, которую измеряют вольтметром. Его обозначают буквой U, единица измерения — вольт (В). Напряжение относится к паре точек: оно показывает электрическое состояние между ними, поэтому всегда важно указать, на каком участке его измеряют.

Вольтметр — прибор для измерения напряжения между двумя точками цепи. Его подключают параллельно участку: один зажим соединяют с одной точкой, второй — с другой. Так прибор сравнивает именно те точки, между которыми нужно определить напряжение.

Как это устроено

Чтобы измерить ток на участке, амперметр включают последовательно: тогда через него проходит тот же зарядный поток, что и через участок. Если поставить прибор в другую ветвь, он покажет ток этой ветви, а не ток нужного элемента. Поэтому перед подключением следует определить, через какую именно часть цепи проходит измеряемый ток.

Сопротивление амперметра делают малым, потому что прибор включён в цепь последовательно. При большом сопротивлении он сам стал бы заметной преградой для тока и изменил бы режим работы цепи. Малое сопротивление помогает измерить ток, почти не влияя на его значение.

Напряжение измеряют между двумя точками, поэтому вольтметр присоединяют к обеим точкам участка, то есть параллельно ему. Так на приборе устанавливается то же напряжение, что и на исследуемом элементе. Если соединить один зажим не с концом участка, измеряться будет напряжение уже между другой парой точек.

Сопротивление вольтметра должно быть большим: прибор подключён параллельно, и при малом сопротивлении через него пошёл бы значительный ток. Это изменило бы токи в остальной цепи и исказило измерение. Большое сопротивление делает ток через вольтметр пренебрежимо малым, поэтому он почти не влияет на работу участка.

Предел измерения выбирают так, чтобы ожидаемое значение не превышало максимума шкалы. Если значение неизвестно, сначала ставят наибольший предел, а затем при необходимости переходят к меньшему для более точного отсчёта. В цепи постоянного тока учитывают полярность: положительный зажим прибора соединяют с точкой более высокого потенциала, обычно со стороной положительного полюса источника; при обратном подключении показание может иметь знак «минус».

Сравнение амперметра и вольтметра

Сначала определите, какую величину нужно измерить: для тока нужен амперметр, для напряжения — вольтметр. Затем сверьте способ подключения и требование к сопротивлению прибора. Такая проверка помогает не перепутать приборы и не исказить работу цепи.

Разбор задач

Задача 1. На схеме нужно измерить силу тока через лампу. Укажите, куда включить амперметр. Здесь важно проследить путь тока: прибор должен измерять ток именно лампы, а не только ток отдельной параллельной ветви.

1. Найдём участок, ток через который требуется измерить: это лампа.
2. Разомкнём цепь в одном месте рядом с лампой и включим туда амперметр, чтобы он оказался с ней в одной последовательной цепи.
3. Проверим подключение: через амперметр и лампу должен проходить один и тот же ток.

Ответ: амперметр включают последовательно с лампой.

Задача 2. Напряжение на резисторе равно 6 В, а сила тока через него — 0,3 А. Определите сопротивление резистора и укажите, как подключить прибор для измерения напряжения. Известны напряжение и ток, поэтому для сопротивления применим закон Ома.

1. Запишем закон Ома для участка цепи: R = U / I.
2. Подставим данные: R = 6 В / 0,3 А = 20 Ом.
3. Чтобы измерить напряжение на резисторе, присоединим вольтметр к двум его выводам, то есть параллельно резистору.

Ответ: сопротивление равно 20 Ом; вольтметр подключают параллельно резистору.

Задача 3. В цепи с источником постоянного тока нужно одновременно измерить ток через лампу и напряжение на ней. Требуется указать подключение обоих приборов и полярность. Для тока прибор ставят в основной путь через лампу, а для напряжения — к двум её выводам.

1. Включим амперметр последовательно с лампой, разомкнув цепь в её ветви.
2. Подключим вольтметр параллельно лампе: его зажимы соединяются с двумя выводами лампы.
3. Положительные зажимы амперметра и вольтметра соединим со стороной положительного полюса источника; отрицательные — со стороной отрицательного полюса.

Ответ: амперметр включён последовательно, вольтметр — параллельно лампе; полярность обоих приборов согласована с полюсами источника.

Типичные ошибки

Амперметр иногда подключают параллельно участку, полагая, что любой измерительный прибор нужно присоединить к элементу с двух сторон. Но сопротивление амперметра мало, поэтому такое включение может вызвать короткое замыкание. Проверьте себя: если оба зажима прибора соединены с концами одного элемента, это не подходит для измерения тока.

Вольтметр могут поставить последовательно, потому что его ошибочно считают прибором для измерения тока в участке. Из-за большого сопротивления вольтметра ток в такой цепи станет очень малым, и участок почти перестанет работать. Перед включением убедитесь, что зажимы вольтметра идут к двум точкам, между которыми измеряется напряжение.

Ещё одна ошибка — путать единицы: силу тока выражают в амперах, а напряжение — в вольтах. Путаница возникает из-за того, что обе величины относятся к электрической цепи и часто измеряются одновременно. Сверьте обозначения I и U, а также подписи единиц на шкале прибора.

Измерение начинают с малого предела или не учитывают полярность. В первом случае значение может выйти за шкалу, а при обратной полярности стрелка отклонится не туда или цифровой прибор покажет отрицательный знак. Начинайте с наибольшего предела при неизвестном значении и проверьте, что положительный зажим соединён со стороной положительного полюса источника.

Связь с другими темами

Для понимания измерений нужно знать обозначения силы тока и напряжения, их единицы, а также условные знаки элементов и правила изображения электрических цепей. Закон Ома связывает показания приборов с сопротивлением: R = U / I. Например, по измеренным U и I можно вычислить сопротивление участка. Навык правильного подключения приборов нужен при исследовании цепей и практической проверке закона Ома.

Что запомнить

• Силу тока измеряют амперметром, напряжение — вольтметром.
• Амперметр включают последовательно.
• Вольтметр подключают параллельно участку цепи.
• Сопротивление амперметра должно быть малым.
• Сопротивление вольтметра должно быть большим.
• При измерениях выбирают подходящий предел и соблюдают полярность.