§ 41 Вольтметр. Измерение напряжения

Определения и обозначения

Электрическое напряжение — физическая величина, равная работе электрического поля по перемещению заряда, делённой на величину этого заряда. Если поле совершило работу A при перемещении заряда q, то напряжение U = A/q. Оно помогает понять, сколько работы приходится на каждый кулон заряда при движении между двумя точками.

Вольтметр — прибор, которым измеряют напряжение между двумя точками цепи или на её отдельном участке. На электрической схеме его обозначают кружком с буквой V внутри. Это обозначение показывает, где в цепи нужно искать прибор и какую величину он измеряет.

Единица напряжения — вольт, её обозначают В. Один вольт равен напряжению, при котором поле совершает работу 1 Дж при перемещении заряда 1 Кл: 1 В = 1 Дж/Кл. Милливольт в тысячу раз меньше вольта (1 мВ = 0,001 В), а киловольт в тысячу раз больше (1 кВ = 1000 В); соотношения нужны для записи очень малых и больших значений.

Цена деления шкалы — напряжение, соответствующее одному промежутку между соседними отметками. Чтобы найти показание прибора, определяют цену деления и считают, сколько промежутков отделяет стрелку от нуля. Так можно правильно прочитать шкалу, даже если подписаны не все отметки.

Как это устроено

Сила тока показывает, сколько заряда проходит через проводник за определённое время, но сама по себе не говорит, какую работу поле совершает при перемещении каждого заряда. Поэтому для сравнения электрических состояний разных участков используют напряжение: оно связывает работу и заряд. Например, измерив ток и напряжение, можно получить разные сведения об одной и той же цепи, а не повторить одно измерение двумя приборами.

Напряжение на участке определяют между его концами. Поэтому к этим же двум точкам подключают вольтметр: прибор и участок оказываются соединёнными параллельно. Если провода вольтметра поставить на другие точки, он покажет напряжение между ними, а не на нужном элементе. Перед измерением полезно мысленно отметить начало и конец участка, который нужно проверить.

Подключённый прибор сам становится частью цепи и может изменить её работу. Чтобы это влияние было небольшим, сопротивление вольтметра делают большим: через него проходит очень малый ток, и основной ток в исследуемом участке почти не меняется. Если бы сопротивление было маленьким, через прибор потёк бы заметный ток, а измеряемое напряжение могло бы измениться.

Предел измерения — наибольшее значение, которое прибор способен показать в выбранном режиме. Если напряжение заранее неизвестно, сначала выбирают больший доступный предел: так уменьшается риск перегрузить вольтметр. Когда стало ясно, что показание намного меньше предела, можно переключиться на меньший, чтобы шкала позволяла измерить точнее. Нельзя выбирать предел ниже ожидаемого напряжения.

Сначала определяют предел и цену деления шкалы, затем подключают вольтметр параллельно концам нужного участка и считывают показание. У цифрового прибора значение обычно выводится на экран, а у стрелочного нужно посчитать деления и учесть цену каждого. Результат записывают вместе с единицей, например 4 В, а не просто числом 4. Такое правило не даёт перепутать показание в вольтах с другими величинами.

Сравнение измерения силы тока и напряжения

Сначала найдите в таблице измеряемую величину и нужный прибор, а затем проверьте единицу измерения. Особенно полезно сравнить способы включения: амперметр ставят в разрыв цепи, а вольтметр — к концам участка. Так проще не перепутать приборы при сборке схемы.

Разбор задач

Цена деления шкалы

На шкале вольтметра между отметками 0 и 3 В нанесено 15 равных делений. Найдём цену деления. Сначала выясним, сколько напряжения приходится на весь промежуток между подписанными значениями. Затем разделим это напряжение на число делений.

1. Разность значений отметок равна 3 В − 0 В = 3 В.
2. Между ними 15 равных делений, поэтому цену одного деления найдём делением: 3 В : 15 = 0,2 В.
3. Проверим результат: 15 делений по 0,2 В дают 3 В, то есть расстояние между отметками восстановлено.

Ответ: цена деления равна 0,2 В.

Показание по числу делений

Предел вольтметра равен 6 В, на шкале 30 делений, а стрелка отклонилась на 18 делений от нуля. Чтобы определить напряжение, сначала найдём, сколько вольт соответствует одному делению. Затем умножим это значение на число делений, пройденных стрелкой.

1. Цена деления: 6 В : 30 = 0,2 В.
2. Стрелка прошла 18 делений, значит, напряжение равно 0,2 В · 18 = 3,6 В.
3. Единицу измерения сохраняем: шкала размечена в вольтах, поэтому ответ записываем в В.

Ответ: вольтметр показывает 3,6 В.

Подключение и выбор предела

К источнику подключён участок цепи с резистором; нужно измерить напряжение на резисторе. Ожидаемое значение — около 4 В, доступны пределы 3 В и 15 В. Здесь нужно решить две отдельные задачи: выбрать правильные точки подключения и не перегрузить прибор.

1. Подключим провода вольтметра к двум концам резистора. Прибор окажется параллельно резистору и измерит разность потенциалов именно на нём.
2. Предел 3 В меньше ожидаемых 4 В, поэтому выбирать его нельзя: напряжение может выйти за верхнюю границу измерения.
3. Выберем предел 15 В. Он заведомо не меньше ожидаемого напряжения и безопаснее для первого измерения.

Ответ: подключить вольтметр параллельно резистору и выбрать предел 15 В.

Типичные ошибки

Вольтметр иногда включают последовательно, потому что путают его с амперметром. Но амперметр измеряет ток в цепи, а напряжение находят между концами участка; при последовательном включении большое сопротивление вольтметра нарушает работу цепи. Проверьте схему: провода вольтметра должны вести к двум концам измеряемого элемента.

Бывает, что щупы прибора ставят на две точки, которые не ограничивают нужный участок. Тогда вольтметр покажет напряжение между выбранными точками, но это может быть не напряжение на нужном элементе. Перед измерением назовите участок и найдите оба его конца — именно к ним подключают прибор.

Слишком малый предел выбирают, пытаясь сразу получить точное значение. Если напряжение выше выбранного предела, прибор может перегрузиться или не показать результат правильно. Начинайте с большего безопасного значения, а для самопроверки сравните ожидаемое напряжение с установленным пределом.

Если считать деления без цены деления, результат легко ошибочно принять за вольты; если не указать единицу, запись становится неполной. Сначала разделите разность подписанных отметок на число промежутков, а затем умножьте на число делений до стрелки. Проверьте, что записали результат вместе с В.

Связь с другими темами

Для работы с вольтметром нужно знать, что такое электрический ток, сила тока и электрическая цепь, а также уметь читать условные обозначения элементов. Смысл напряжения понятнее, если вспомнить работу электрического поля и заряд: напряжение показывает работу, приходящуюся на единицу заряда. Позже умение измерять напряжение пригодится при изучении электрических цепей, закона Ома и других измерительных приборов. Эти знания помогут не только решать задачи, но и правильно собирать схемы.

Что запомнить

• Напряжение характеризует работу электрического поля по перемещению заряда.
• Напряжение обозначают U и измеряют в вольтах (В).
• Вольтметр подключают параллельно участку цепи.
• Перед измерением выбирают подходящий предел вольтметра.
• Для определения показания шкалы учитывают цену деления.
• Вольтметр должен как можно меньше влиять на режим цепи.