§ 6. Измерение силы тока, напряжения и сопротивления в электрической цепи

Определения и обозначения

Амперметр — прибор для измерения силы тока. На схеме его обозначают кругом с буквой A. Его показание равно силе тока в том участке, с которым прибор соединён последовательно.

Вольтметр — прибор для измерения напряжения между двумя точками цепи. На электрической схеме его изображают кругом с буквой V. Прибор показывает разность потенциалов между точками подключения.

Омметр — прибор для непосредственного измерения электрического сопротивления. Сопротивление измеряют только на обесточенном участке, отключённом от источника. Иначе внешнее напряжение исказит результат или повредит прибор.

Цена деления — значение величины, соответствующее одному делению шкалы. Чтобы её найти, из большего подписанного значения вычитают меньшее и делят результат на число промежутков между отметками. Затем показание находят умножением числа делений на цену одного деления.

Как это устроено

Чтобы измерить ток в участке цепи, амперметр включают последовательно. В таком соединении ток не разделяется между ветвями, поэтому через амперметр проходит тот же заряд, который проходит через измеряемый участок за единицу времени. Если поставить прибор в другое место той же последовательной цепи, показание останется таким же.

Внутреннее сопротивление амперметра делают очень малым, поскольку любой прибор немного меняет исследуемую цепь. Малое сопротивление почти не увеличивает общее сопротивление и поэтому слабо изменяет ток. При параллельном соединении такой прибор создаёт путь с малым сопротивлением, поэтому ток может стать опасно большим.

Напряжение измеряют между концами участка, так как оно характеризует разность потенциалов именно между двумя выбранными точками. Поэтому к этим точкам присоединяют два вывода вольтметра, то есть включают его параллельно. Так прибор сравнивает потенциалы начала и конца участка, не разрывая основную цепь.

У вольтметра должно быть большое внутреннее сопротивление. Тогда через его собственную ветвь проходит небольшой ток, и подключение прибора почти не перераспределяет токи в цепи. При малом сопротивлении вольтметр заметно изменял бы режим работы исследуемого участка.

Сопротивление резистора можно определить косвенно: измерить напряжение U на его концах и ток I через него, а затем применить закон Ома для участка цепи: R = U/I. Для этого амперметр включают последовательно с резистором, а вольтметр — параллельно ему. При использовании омметра источник отключают, поскольку прибор создаёт собственный измерительный ток.

Сравнение приборов для измерения электрических величин

Таблица помогает быстро выбрать прибор и способ его подключения. Сначала определите, какую величину нужно измерить, затем проверьте требования к соединению и внутреннему сопротивлению. Перед началом работы также сравните ожидаемое значение с пределом измерения прибора.

Разбор задач

Задача 1

На шкале амперметра 30 делений соответствуют 3 А. Определим цену деления и ток при положении стрелки на 18-м делении.

1. Разделим предельное значение шкалы на число делений: 3 А : 30 = 0,1 А.
2. Умножим цену деления на число делений, отсчитанных от нулевой отметки: 0,1 А · 18 = 1,8 А.

Ответ: цена деления равна 0,1 А, сила тока — 1,8 А. Такой порядок нужен потому, что сначала шкалу переводят в значение одной малой отметки, а затем считывают показание стрелки.

Задача 2

Через резистор проходит ток 0,4 А, а напряжение на его концах равно 6 В. Найдём сопротивление и укажем соединение приборов для проверки.

1. Запишем закон Ома для участка: R = U/I.
2. Подставим данные: R = 6 В / 0,4 А = 15 Ом.
3. Для проверки включим амперметр последовательно с резистором, чтобы измерить ток через него, а вольтметр подключим параллельно резистору.

Ответ: сопротивление резистора равно 15 Ом. Нельзя менять приборы местами: последовательное подключение вольтметра и параллельное подключение амперметра исказят измерение.

Задача 3

Источник напряжением 12 В подключён к резистору 20 Ом. Внутреннее сопротивление амперметра равно 0,5 Ом. Найдём его показание и сравним с током без учёта сопротивления прибора.

1. При последовательном включении общее сопротивление равно 20 Ом + 0,5 Ом = 20,5 Ом.
2. Ток с учётом прибора: I = 12 В / 20,5 Ом ≈ 0,585 А.
3. Без учёта сопротивления амперметра получили бы I₀ = 12 В / 20 Ом = 0,6 А.
4. Разность составляет примерно 0,015 А, поэтому прибор немного уменьшает измеряемый ток.

Ответ: амперметр покажет приблизительно 0,585 А вместо идеального значения 0,6 А. Чем меньше его внутреннее сопротивление по сравнению с сопротивлением нагрузки, тем слабее влияние прибора.

Типичные ошибки

Амперметр подключают параллельно участку или источнику. Так делают, путая измерение тока с измерением напряжения. Из-за малого сопротивления возникает большой ток; проверьте себя: амперметр всегда должен находиться в разрыве последовательной ветви.

Вольтметр подключают последовательно. Большое сопротивление прибора почти перекрывает путь току, поэтому цепь начинает работать иначе и показание не описывает исходный режим. Перед включением убедитесь, что щупы стоят на двух концах нужного участка.

Путают полярность. Прибор постоянного тока подключают по знакам «+» и «−», но при спешке их меняют местами. Аналоговая стрелка отклоняется в обратную сторону, поэтому сначала проверьте полярность, а затем замыкайте цепь.

Измеряют сопротивление в работающей цепи. Ошибка возникает, когда омметр воспринимают как обычный измеритель напряжения. Отключите участок от источника и убедитесь в отсутствии внешнего напряжения до подключения омметра.

Связь с другими темами

Для измерений нужны понятия силы тока, напряжения и сопротивления, закон Ома, а также правила последовательного и параллельного соединения проводников. Если эти зависимости известны, становится понятно, почему приборы подключают именно так.

Навык выбора прибора пригодится при сборке электрических цепей и лабораторной проверке закона Ома. Учитывая внутреннее сопротивление, можно оценить погрешность и понять, насколько измерение влияет на работу цепи.

Что запомнить

• Амперметр измеряет силу тока и включается последовательно.
• Внутреннее сопротивление амперметра должно быть малым.
• Вольтметр измеряет напряжение и включается параллельно участку.
• Внутреннее сопротивление вольтметра должно быть большим.
• Сопротивление участка можно определить по формуле R = U/I.
• Перед измерением сопротивления омметром участок отключают от источника тока.