§ 4. Электроизмерительные приборы

Определения и обозначения

Электроизмерительный прибор — устройство для измерения электрических величин: силы тока, напряжения, сопротивления, мощности и других характеристик цепи. Он превращает результат измерения в показание шкалы или цифрового дисплея. Такие приборы нужны, чтобы проверять работу цепи не на глаз, а количественно.

Гальванометр — чувствительный прибор для обнаружения и измерения слабого тока. Его стрелка отклоняется, когда ток проходит по рамке внутри магнитного поля. Поэтому гальванометр используют как основу для более широких измерительных приборов.

Амперметр — прибор для измерения силы тока I, единица измерения — ампер (А). Его включают последовательно с участком цепи, чтобы через прибор проходил тот же ток, что и через участок. Это позволяет определить ток непосредственно по показанию шкалы.

Вольтметр — прибор для измерения напряжения U, единица измерения — вольт (В). Его подключают параллельно участку цепи, между точками которого нужно найти напряжение. Показание прибора показывает разность потенциалов между этими точками.

Как это устроено

Рамка с током, помещённая в магнитное поле, испытывает действие сил со стороны поля. На противоположных сторонах рамки эти силы направлены так, что образуют вращающий момент. Поэтому рамка поворачивается, а закреплённая на ней или связанная с ней стрелка перемещается по шкале.

Повороту рамки противодействует упругая сила пружины. Чем сильнее рамка отклоняется, тем больше становится момент упругих сил, пока он не уравновесит магнитный момент. При равновесии угол отклонения связан с силой тока: больший ток создаёт больший момент и вызывает большее отклонение стрелки.

Амперметр включают последовательно, потому что в последовательной цепи сила тока одинакова на всех элементах. Его сопротивление делают малым: тогда добавочное сопротивление прибора почти не меняет общее сопротивление цепи. Следовательно, ток после подключения амперметра остаётся почти таким же, как до измерения.

Вольтметр подключают параллельно измеряемому участку, поскольку при таком соединении напряжение на приборе равно напряжению на участке. Сопротивление вольтметра делают большим, чтобы по его ветви проходил малый ток. Благодаря этому прибор почти не перераспределяет токи и мало изменяет напряжение, которое нужно измерить.

Гальванометр имеет небольшой предельный ток, поэтому для больших токов к нему подключают шунт параллельно. Шунт принимает на себя часть общего тока, а через чувствительную рамку проходит только допустимая доля. Для измерения больших напряжений последовательно добавляют сопротивление: оно принимает на себя часть напряжения и ограничивает ток через гальванометр.

Сравнение амперметра и вольтметра

Сначала определите, какую величину нужно измерить, затем выберите способ подключения из соответствующей строки. Последняя строка помогает вспомнить, какое дополнительное сопротивление используют для расширения предела прибора.

Разбор задач

Задача 1

В цепи амперметр показывает 0,4 А. Нужно определить заряд, прошедший через прибор за 2 мин. Используем связь силы тока с зарядом: q = It.

1. Переведём время в секунды: t = 2 · 60 = 120 с.
2. Подставим значения: q = 0,4 · 120 = 48 Кл.
3. Проверим единицы: ампер, умноженный на секунду, даёт кулон.

Ответ: через прибор прошёл заряд 48 Кл.

Задача 2

К резистору сопротивлением 20 Ом подключён вольтметр, показывающий 6 В. Требуется найти ток через резистор. Считаем показание вольтметра напряжением на резисторе и применяем закон Ома.

1. Запишем формулу: I = U/R.
2. Подставим данные: I = 6/20 = 0,3 А.
3. Сопротивление в омах и напряжение в вольтах дают ток в амперах.

Ответ: сила тока через резистор равна 0,3 А.

Задача 3

Гальванометр имеет сопротивление 10 Ом и предельный ток 2 мА. Его нужно превратить в амперметр с пределом 0,2 А. Шунт подключается параллельно, поэтому напряжения на гальванометре и шунте одинаковы.

1. Найдём ток через шунт: Iₛ = 0,2 − 0,002 = 0,198 А.
2. Напряжение на гальванометре: U = IгRг = 0,002 · 10 = 0,02 В.
3. Сопротивление шунта: Rₛ = U/Iₛ = 0,02/0,198 ≈ 0,10 Ом.

Ответ: сопротивление шунта примерно равно 0,10 Ом. Малое значение объясняется тем, что шунт должен пропускать почти весь увеличенный ток.

Типичные ошибки

Амперметр иногда подключают параллельно участку. Это опасно: его малое сопротивление создаёт почти короткое замыкание и может вызвать очень большой ток. Проверка простая: амперметр должен стоять «в разрыве» цепи, последовательно с нагрузкой.

Вольтметр иногда включают последовательно, потому что путают измерение напряжения с измерением тока. Большое сопротивление такого прибора резко изменяет ток в цепи и искажает работу схемы. Проверьте, соединён ли вольтметр с двумя выводами измеряемого участка.

Неверно считать, что амперметру нужно большое сопротивление, а вольтметру — малое. Эти требования перепутаны: малое сопротивление нужно амперметру, большое — вольтметру. Сверяйте сопротивление со способом включения и влиянием прибора на цепь.

Шунт и дополнительное сопротивление нельзя менять местами. Шунт подключают параллельно гальванометру, а добавочное сопротивление — последовательно. Если мысленно проследить путь тока, станет видно, какое соединение делит ток, а какое ограничивает его.

Связь с другими темами

Для решения задач нужны понятия силы тока, напряжения и сопротивления, а также закон Ома для участка цепи. Формула q = It связывает ток с электрическим зарядом, прошедшим через прибор.

Знания пригодятся при сборке электрических цепей и измерении характеристик источников, резисторов и других элементов. Они также связаны с изучением сложных цепей и измерительных датчиков, где важно не нарушить режим работы объекта.

Что запомнить

• Отклонение стрелки гальванометра связано с током в его рамке.
• Амперметр измеряет силу тока и включается последовательно.
• Сопротивление амперметра должно быть малым.
• Вольтметр измеряет напряжение и включается параллельно.
• Сопротивление вольтметра должно быть большим.
• Предел измерения амперметра расширяют шунтом.
• Предел измерения вольтметра расширяют последовательным дополнительным сопротивлением.