§ 46. Измерение силы тока и напряжения

Определения и обозначения

Сила тока обозначается буквой I и измеряется в амперах (А). Она показывает, какой электрический заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Эта величина помогает сравнивать, насколько интенсивно движутся заряженные частицы в разных участках цепи.

Напряжение обозначается буквой U и измеряется в вольтах (В). Оно характеризует работу электрического поля по перемещению единичного заряда между двумя точками. По напряжению можно судить, какую энергию получает или отдаёт заряд при движении по участку цепи.

Амперметр — прибор для измерения силы тока. На электрических схемах его изображают кружком с буквой A, а показания записывают в амперах, иногда в миллиамперах. Он позволяет узнать ток именно в том участке, с которым соединён.

Вольтметр — прибор для измерения напряжения. На схеме его обозначают кружком с буквой V, а результат измерения выражают в вольтах. С его помощью определяют разность электрических потенциалов между двумя точками цепи.

Как это устроено

Чтобы определить силу тока в участке цепи, через измерительный прибор должен пройти весь ток этого участка. Поэтому цепь в нужном месте размыкают и вставляют амперметр в образовавшийся разрыв. Если подключить его в другую ветвь, прибор покажет ток уже этой ветви, а не выбранного участка.

Амперметр включают последовательно, потому что при последовательном соединении ток через все элементы одной цепи одинаков. Сопротивление амперметра очень мало, поэтому он почти не меняет ток в цепи. На схеме амперметр располагают на одной линии с измеряемым элементом, без отдельной параллельной ветви.

Чтобы измерить напряжение, выбирают две точки, между которыми нужно узнать разность потенциалов. Выводы вольтметра соединяют именно с этими точками: один вывод — с началом участка, другой — с его концом. Так прибор сравнивает электрическое состояние концов элемента, например лампы или резистора.

Вольтметр подключают параллельно, потому что при таком соединении на его выводах возникает то же напряжение, что и на исследуемом участке. Сопротивление вольтметра велико, поэтому через него проходит очень небольшой ток и работа основной цепи почти не изменяется. На схеме от концов элемента отходят две дополнительные линии к выводам прибора.

Перед измерением выбирают предел — наибольшее значение, которое может показать прибор. Цена деления равна разности двух соседних подписанных значений, делённой на число промежутков между ними; показание находят умножением цены деления на число пройденных от нуля делений. Если стрелка вышла за шкалу, цепь отключают и выбирают больший предел.

Приборы для измерения силы тока и напряжения

Таблица помогает быстро сопоставить величину, прибор и способ его подключения. Если нужно узнать ток, выбирайте амперметр и ставьте его в разрыв цепи; если нужно узнать разность потенциалов, используйте вольтметр и подключайте его к двум концам участка.

Разбор задач

Задача 1. Цена деления и показание амперметра

На шкале амперметра предел измерения равен 3 А, а вся шкала содержит 30 делений. Стрелка остановилась на 18-м делении. Требуется найти цену деления и силу тока.

1. Предел 3 А соответствует 30 делениям, поэтому одно деление показывает 3 А : 30 = 0,1 А.
2. Стрелка прошла 18 делений, значит сила тока равна 0,1 А · 18 = 1,8 А.
3. Проверяем результат: 18 делений меньше 30, поэтому показание должно быть меньше предела 3 А.

Ответ: цена деления — 0,1 А, сила тока — 1,8 А.

Задача 2. Измерение тока и напряжения на лампе

Нужно составить схему, чтобы измерить силу тока через лампу и напряжение на её выводах. В цепи есть источник тока, лампа, амперметр и вольтметр.

1. Амперметр включаем последовательно с лампой: соединяем источник, амперметр, лампу и возвращаемся к источнику.
2. Вольтметр подключаем двумя проводами к концам лампы, создавая параллельную ветвь.
3. Проверяем полярность: положительные выводы приборов соединяем с положительным полюсом источника или с точками более высокого потенциала.

Ответ: амперметр соединён последовательно с лампой, а вольтметр — параллельно её выводам.

Задача 3. Стрелка вышла за предел шкалы

При измерении напряжения на пределе 6 В стрелка вольтметра отклонилась за конец шкалы. На новом пределе 15 В шкала имеет 30 делений, а стрелка остановилась на 20-м делении. Нужно исправить подключение и определить напряжение.

1. Отключаем цепь, потому что измеряемое напряжение больше выбранного предела 6 В.
2. Выбираем предел 15 В, который превышает ожидаемое значение, и подключаем вольтметр параллельно участку с соблюдением полярности.
3. На новом пределе цена деления равна 15 В : 30 = 0,5 В. Показание составляет 0,5 В · 20 = 10 В.

Ответ: нужно выбрать предел 15 В; измеренное напряжение равно 10 В.

Типичные ошибки

Амперметр подключают параллельно участку. Так делают, путая способ измерения напряжения со способом измерения тока; из-за малого сопротивления амперметра может возникнуть опасно большой ток. Проверьте себя: амперметр должен стоять в разрыве цепи последовательно с элементом.

Вольтметр подключают последовательно. Ошибка появляется, когда забывают, что напряжение ищут между двумя точками, а не «внутри» последовательной цепи. Проверьте схему: оба вывода вольтметра должны быть соединены с концами одного участка.

Путают силу тока и напряжение, обозначения и единицы. Амперы относятся к I, а вольты — к U, но похожие записи иногда приводят к смешению величин. Перед решением подпишите рядом с прибором величину, её букву и единицу.

Считывают только положение стрелки. Без цены деления и выбранного предела число делений не является готовым ответом. Сначала определите значение одного деления, затем умножьте его на число делений и проверьте, не превышен ли предел.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно знать обозначения силы тока I и напряжения U, единицы ампер и вольт, а также уметь читать простые электрические схемы. Без этого трудно понять, какой прибор выбрать и куда его подключить.

Правила подключения пригодятся при изучении электрических цепей и закона Ома. Они также нужны в лабораторных работах, где по показаниям амперметра и вольтметра определяют характеристики проводника.

Что запомнить

• Силу тока обозначают I и измеряют амперметром в амперах.
• Напряжение обозначают U и измеряют вольтметром в вольтах.
• Амперметр включают последовательно с участком цепи.
• Вольтметр включают параллельно участку, напряжение на котором измеряют.
• При подключении учитывают полярность и выбирают подходящий предел измерения.
• Показание стрелочного прибора находят по цене деления шкалы.