§ 8. Измерение силы тока и напряжения

Определения и обозначения

Амперметр — прибор для измерения силы тока. В цепь его включают последовательно с исследуемым участком. Поэтому через амперметр проходит тот же ток, который нужно измерить.

Вольтметр — прибор для измерения напряжения между двумя точками цепи. Его подключают параллельно участку, например к выводам резистора. Так прибор сравнивает потенциалы концов этого участка.

Шунт — сопротивление, соединённое параллельно измерительному механизму амперметра. Часть тока проходит через шунт, а не через чувствительный механизм. Благодаря этому можно измерять ток, превышающий его первоначальный предел.

Добавочное сопротивление — сопротивление, включаемое последовательно с вольтметром. На нём возникает часть общего падения напряжения. Поэтому вольтметр можно использовать для измерения больших напряжений.

Как это устроено

Амперметр включают последовательно, потому что измерять нужно ток конкретного участка. В последовательной цепи сила тока одинакова во всех элементах, значит, через амперметр пойдёт именно искомый ток. При параллельном подключении прибор измерял бы ток своей отдельной ветви, а не обязательно ток лампы или резистора.

Сопротивление амперметра делают малым, поскольку оно добавляется к сопротивлению цепи. Заметное сопротивление уменьшило бы общий ток и изменило режим работы исследуемого устройства. Чем меньше влияние прибора, тем ближе его показание к току цепи без измерения.

Вольтметр подключают параллельно, потому что напряжение определяется разностью потенциалов двух точек. Оба вывода прибора должны быть соединены с концами исследуемого участка, тогда на вольтметре возникает такое же напряжение. Большое сопротивление вольтметра необходимо, чтобы через его ветвь проходил очень малый ток и основная цепь почти не менялась.

Предел амперметра расширяют шунтом, соединяя его параллельно измерительному механизму. При малом сопротивлении шунта через него проходит большая часть общего тока, а через механизм — только допустимая часть. Например, если новый предел во много раз больше прежнего, шунт должен отвести почти весь ток.

Предел вольтметра расширяют последовательным добавочным сопротивлением. В последовательной цепи ток через вольтметр и сопротивление один и тот же, а общее напряжение складывается из падений напряжения на них. Поэтому добавочное сопротивление принимает на себя часть напряжения и не допускает перегрузки измерительного механизма.

Амперметр и вольтметр: назначение и подключение

Сначала определите, какую величину нужно измерить: ток или напряжение. Затем по строке «Как включают в цепь» выберите способ соединения и проверьте требование к сопротивлению. Последняя строка помогает вспомнить, какой элемент используют для расширения предела.

Разбор задач

Задача 1. На схеме нужно измерить ток через лампу. Укажите, куда включить амперметр, и изобразите подключение. Рассуждаем не по внешнему виду схемы, а по назначению прибора: ток лампы должен пройти через амперметр.

1. Найдите провод, соединяющий лампу с остальной цепью.
2. Разомкните этот участок в условной схеме и вставьте амперметр в разрыв.
3. Соедините элементы последовательно: источник — амперметр — лампа — источник.

Ответ: амперметр включают последовательно с лампой. Если прибор постоянного тока, его «плюс» соединяют со стороной цепи, имеющей больший потенциал.

Задача 2. Нужно измерить напряжение на резисторе в собранной цепи. Покажите подключение вольтметра. Искомое напряжение существует между двумя выводами резистора, поэтому прибору не нужно становиться частью основного пути тока.

1. Определите оба вывода резистора.
2. Подключите один щуп вольтметра к одному выводу, второй — к другому.
3. Получится параллельная ветвь, а полярность проверьте по знакам «+» и «−».

Ответ: вольтметр подключают параллельно резистору непосредственно к его выводам; цепь при этом можно не размыкать.

Задача 3. Измерительный механизм амперметра имеет сопротивление r и предел тока I₀. Требуется измерять ток до I, где I > I₀. Найдём сопротивление шунта Rш.

1. При параллельном соединении напряжения на механизме и шунте одинаковы: I₀r = IшRш.
2. Общий ток складывается: Iш = I − I₀.
3. Подставьте это значение и получите Rш = rI₀/(I − I₀).

Ответ: сопротивление шунта равно Rш = rI₀/(I − I₀). При большом новом пределе ток шунта значительно превышает ток измерительного механизма.

Типичные ошибки

Амперметр иногда включают параллельно участку или источнику. Из-за малого сопротивления это почти короткое замыкание, поэтому прибор может перегореть. Проверьте себя: путь через амперметр должен быть единственным последовательным путём тока участка.

Вольтметр могут поставить последовательно с нагрузкой. Его большое сопротивление резко уменьшит ток, и схема начнёт работать иначе. Правильная проверка проста: оба щупа должны касаться двух концов элемента.

Нельзя считать сопротивления идеальных приборов одинаковыми. Амперметру нужно малое сопротивление, а вольтметру — большое, иначе каждый из них заметно исказит измеряемую величину. Сверяйте это требование с видом измеряемой величины.

Шунт и добавочное сопротивление часто путают. Шунт подключают параллельно амперметру, а добавочное сопротивление — последовательно с вольтметром. Запомнить различие помогает связь: шунт отводит часть тока, а добавочное сопротивление принимает часть напряжения.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны понятия силы тока, напряжения и сопротивления, а также правила последовательного и параллельного соединения. Без них трудно объяснить выбор места подключения приборов и работу дополнительных сопротивлений.

Измерения применяют при исследовании электрических цепей и проверке закона Ома. Сравнивая показания приборов и параметры элементов, можно установить зависимость тока от напряжения и сопротивления.

Представление о сопротивлении измерительных приборов пригодится при изучении электроизмерительных устройств. Оно помогает понять, почему реальный прибор влияет на цепь и почему его подключение выбирают особым образом.

Что запомнить

• Силу тока измеряют амперметром.
• Напряжение измеряют вольтметром.
• Амперметр включают последовательно с участком цепи.
• Вольтметр подключают параллельно участку цепи.
• Сопротивление амперметра должно быть малым.
• Сопротивление вольтметра должно быть большим.
• Предел измерения амперметра расширяют шунтом, а вольтметра — добавочным сопротивлением.