"Физика. Электродинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Измерительные приборы помогают определить силу тока, напряжение и сопротивление в электрической цепи. Чтобы показания были верными, важно выбрать прибор и подключить его так, чтобы он как можно меньше менял работу цепи. Амперметр включают последовательно, вольтметр — параллельно, а сопротивление измеряют омметром на обесточенном элементе или находят по закону Ома. Пределы измерений расширяют с помощью шунта и добавочного сопротивления.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Амперметр — прибор для измерения силы тока, обозначаемой I. Его включают последовательно с участком цепи, то есть так, чтобы ток участка проходил через прибор. Это позволяет измерить именно ток в выбранной ветви. Амперметр нужен при проверке работы цепи и опытной проверке закона Ома.
Вольтметр — прибор для измерения напряжения U между двумя точками цепи. Его подключают параллельно участку, соединяя щупы с концами этого участка. Так прибор сравнивает потенциалы двух точек и показывает разность между ними. Вольтметр помогает определить, какое напряжение приходится на отдельный элемент.
Омметр — прибор для измерения электрического сопротивления R, обычно с собственным источником тока внутри. При измерении он пропускает через элемент ток и по результату определяет его сопротивление. Измеряемый элемент отключают от действующей цепи: внешнее напряжение может исказить показания и повредить прибор. Поэтому омметр используют на обесточенном элементе.
Шунт — проводник малого сопротивления, который подключают параллельно амперметру. Он отводит на себя часть общего тока, не пропуская его целиком через измерительный механизм. Благодаря шунту амперметр может измерять токи, превышающие его собственный предел. Величину шунта подбирают с учётом характеристик прибора.
Амперметр включают последовательно, потому что сила тока одинакова во всех элементах одной последовательной ветви. Тогда через прибор проходит тот же ток, что и через исследуемый участок. Если подключить амперметр параллельно, ток пойдёт по пути малого сопротивления, и прибор может оказаться почти прямым соединением точек цепи. Поэтому его внутреннее сопротивление делают малым: оно не должно заметно уменьшать ток, который измеряют.
Напряжение — это разность потенциалов между двумя точками, поэтому вольтметр соединяют с обеими точками участка, то есть параллельно ему. В параллельных ветвях напряжение одинаково, и прибор показывает напряжение на нужном элементе. Большое внутреннее сопротивление вольтметра ограничивает ток через него. Благодаря этому он почти не отбирает ток у основной цепи и меньше изменяет режим её работы.
Предел измерения амперметра увеличивают шунтом — малым сопротивлением, подключённым параллельно прибору. Параллельное соединение делит ток между двумя ветвями: часть проходит через измерительный механизм, остальная — через шунт. Поскольку сопротивление шунта мало, на нём оказывается значительная доля общего тока. Амперметр при этом измеряет ток своей ветви, а общий ток находят с учётом тока через шунт.
Предел измерения вольтметра увеличивают, подключая к нему последовательно добавочное сопротивление. При последовательном соединении через вольтметр и это сопротивление проходит один и тот же ток. Внешнее напряжение распределяется между двумя частями: часть приходится на сам прибор, а часть — на добавочное сопротивление. Поэтому вольтметр может измерять большее напряжение, чем допускает его собственный предел, если сопротивление выбрано правильно.
Сопротивление можно измерить напрямую омметром, подключив его к обесточенному элементу. Прибор использует собственный источник тока, а внешнее напряжение мешало бы правильному измерению. Другой способ — измерить напряжение на элементе и силу тока через него, затем применить закон Ома: R = U/I. Для такого измерения вольтметр подключают параллельно элементу, а амперметр — последовательно с ним.
| Прибор | Что измеряет | Как включают | Требование к внутреннему сопротивлению | Как расширяют предел измерения |
|---|---|---|---|---|
| Амперметр | Силу тока I | Последовательно с участком | Малое | Подключают параллельно шунт |
| Вольтметр | Напряжение U между двумя точками | Параллельно участку | Большое | Подключают последовательно добавочное сопротивление |
| Омметр | Сопротивление R | К обесточенному элементу | Не является основным способом расширения предела; следует соблюдать пределы прибора | Используют предусмотренный прибором диапазон измерения |
Сначала определите, какую величину нужно измерить, затем выберите прибор и проверьте схему его подключения. Требования к внутреннему сопротивлению показывают, как прибор должен влиять на цепь: минимально для амперметра и минимально отбирать ток для вольтметра. Перед началом работы убедитесь, что выбранный предел измерения не ниже ожидаемого значения.
В цепи нужно измерить ток через лампу. Выбрать прибор и указать, как подключить его к лампе.
При таком соединении измерительный прибор оказывается в той же ветви, что и лампа. Ответ: нужен амперметр, подключённый последовательно с лампой. Параллельно лампе амперметр подключать нельзя.
Вольтметр рассчитан на измерение до 3 В, а требуется измерить напряжение 12 В. Определить, во сколько раз нужно увеличить предел и описать подключение добавочного сопротивления.
При последовательном соединении ток через вольтметр и добавочное сопротивление одинаков. Напряжение участка распределится между ними, причём прибору должна достаться часть, не превышающая 3 В. Ответ: предел увеличивают в 4 раза; добавочное сопротивление подключают последовательно с вольтметром.
При измерении напряжения на резисторе получено 6,0 В, а силы тока через него — 0,20 А. Найти сопротивление и объяснить подключение приборов.
Полученное сопротивление относится к резистору при условиях проведённого измерения. Проверка единиц даёт В/А, то есть ом. Ответ: R = 30 Ом; амперметр включают последовательно, вольтметр — параллельно резистору.
Амперметр иногда подключают параллельно участку или прямо к источнику, потому что путают правила включения приборов. Из-за малого внутреннего сопротивления прибора через него может пройти очень большой ток, который повредит амперметр или вызовет короткое замыкание. Перед включением проверьте: амперметр должен находиться в разрыве цепи, последовательно с исследуемым элементом. Если прибор оказался подключён между двумя точками участка, схему нужно исправить.
Вольтметр могут включить последовательно, ошибочно считая, что любой прибор надо поставить на пути тока. Его большое внутреннее сопротивление резко уменьшит ток в цепи, поэтому показания не будут соответствовать обычной работе участка. Проверьте, соединён ли вольтметр двумя выводами с концами измеряемого элемента. Такое соединение должно быть параллельным.
Другая ошибка — считать, что измерительные приборы совсем не влияют на цепь. У реальных амперметров внутреннее сопротивление не равно нулю, а у вольтметров оно не бесконечно; подключение может немного изменить ток или напряжение. Поэтому выбирайте прибор с подходящим пределом и учитывайте схему измерения. Если полученный результат заметно отличается от ожидаемого, проверьте соединение и свойства прибора.
Измерять омметром сопротивление элемента, оставленного в действующей цепи, опасно и для точности, и для прибора. Внешний источник влияет на ток, который омметр использует для измерения, поэтому показание становится неверным. Перед проверкой отключите питание и при необходимости отсоедините элемент от цепи. Убедитесь, что на его выводах нет напряжения, прежде чем подключать щупы омметра.
Для работы с измерительными приборами нужно знать, что означают сила тока, напряжение и сопротивление, и уметь применять закон Ома. Также понадобятся правила последовательного и параллельного соединения: от них зависит схема подключения и распределение токов и напряжений. Эта тема пригодится при экспериментальной проверке закона Ома и исследовании электрических цепей. Сравнение показаний приборов с ожидаемыми значениями помогает оценивать влияние измерения и возможную погрешность.
Почему амперметр нельзя подключать параллельно источнику?
Внутреннее сопротивление амперметра очень мало, поэтому при параллельном подключении к источнику через него может пойти чрезмерно большой ток. Это способно повредить прибор или вызвать короткое замыкание. Амперметр включают последовательно с участком цепи.
Можно ли измерить напряжение, не размыкая цепь?
Да. Вольтметр подключают параллельно участку, на котором измеряют напряжение, поэтому размыкать цепь не нужно. Следует выбрать подходящие гнёзда и предел измерения.
Как узнать, к каким гнёздам подключать щупы мультиметра?
Чёрный щуп обычно вставляют в гнездо COM, а красный — в гнездо, обозначенное для нужной величины: напряжения, сопротивления или тока. Обозначения и допустимые пределы указаны на корпусе или в инструкции прибора. Для измерения тока красный щуп может потребоваться переставить в отдельное токовое гнездо.
Что делать, если ожидаемое значение больше выбранного предела измерения?
Выберите предел выше ожидаемого значения, если прибор позволяет его менять. Если значение заранее неизвестно, начните с наибольшего предела и затем уменьшайте его для более точного отсчёта. Не превышайте предел, указанный для прибора и его гнёзд.
Почему перед измерением сопротивления нужно отключить питание цепи?
Омметр сам подаёт небольшой ток от собственного источника и по его прохождению определяет сопротивление. Напряжение действующей цепи исказит показание и может повредить омметр. Поэтому измеряемый элемент сначала обесточивают и, если это необходимо, отсоединяют от других элементов.
§ 2.9. Измерение силы тока, напряжения и сопротивления
