§ 57. Электроизмерительные приборы

Определения и обозначения

Электроизмерительный прибор — устройство, показание которого связано с измеряемой электрической величиной: током или напряжением. По положению стрелки на шкале можно определить числовое значение величины. Такие приборы позволяют исследовать цепь, не полагаясь только на расчёты.

Гальванометр — прибор для обнаружения и измерения слабого электрического тока. Сила тока в его рамке определяет положение подвижной части, поэтому по отклонению стрелки судят о наличии и величине тока. Гальванометр служит основой для более универсальных приборов.

Амперметр — прибор для измерения силы тока, то есть заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за единицу времени. Его включают последовательно с участком цепи, чтобы через измерительный механизм проходил тот же ток, что и через участок. Обозначают силу тока буквой I, единица измерения — ампер.

Вольтметр — прибор для измерения напряжения между двумя точками цепи. Его включают параллельно участку, сравнивая потенциалы его концов. Напряжение обозначают U и измеряют в вольтах.

Как это устроено

В основе прибора магнитоэлектрической системы находится лёгкая рамка с проводником, помещённая в магнитное поле постоянного магнита. Когда по рамке проходит ток, магнитное поле действует на проводник с силой, и пара сил поворачивает рамку. Поворот через ось и механическую передачу передаётся стрелке.

Отклонение возникает потому, что на противоположные стороны рамки ток направлен по-разному, а магнитное поле действует на них с противоположными силами. Эти силы образуют вращающий момент, величина которого увеличивается с силой тока. Поэтому при большем токе стрелка отклоняется дальше.

Поворот рамки встречает сопротивление спиральной пружины. При увеличении отклонения пружина сильнее закручивается и создаёт противодействующий момент. Стрелка останавливается тогда, когда магнитный момент равен моменту пружины, то есть устанавливается положение равновесия.

В рабочем диапазоне магнитный момент пропорционален силе тока, а момент пружины — углу закручивания. Из равенства этих моментов следует, что угол отклонения пропорционален току. Поэтому на шкале можно нанести равные деления и заранее проградуировать прибор в амперах.

Чтобы превратить гальванометр в амперметр, параллельно его рамке подключают шунт — проводник с малым сопротивлением. Общий ток делится: небольшая часть проходит через рамку, а основная — через шунт. Чтобы превратить гальванометр в вольтметр, последовательно включают добавочное сопротивление, ограничивающее ток через рамку; тогда прибор можно подключать к участку параллельно.

Сравнение электроизмерительных приборов

Сначала определите, какую величину требуется измерить, а затем смотрите на способ включения. Отдельно проверьте сопротивление прибора: малое нужно амперметру, большое — вольтметру. Последняя строка помогает понять, какую единицу и числовое значение считывают со шкалы.

Разбор задач

1. Выбор прибора

Условие. К участку цепи последовательно подключают прибор, чтобы измерить силу тока. Определите, какой прибор нужен и как его включить.

1. Искомая величина — сила тока, поэтому нужен амперметр, а не вольтметр.
2. Амперметр соединяют последовательно с участком, поскольку ток в последовательной цепи одинаков во всех элементах.
3. При подключении нужно соблюдать полярность постоянного тока и выбрать предел, превышающий ожидаемое значение.

Ответ: нужен амперметр; его включают последовательно так, чтобы весь ток участка проходил через прибор.

2. Расчёт шунта

Условие. Гальванометр имеет сопротивление Rг и предельный ток Iг. Найдите сопротивление шунта, чтобы прибор мог измерять ток I > Iг.

1. Шунт подключают параллельно рамке, поэтому напряжения на ветвях одинаковы: IгRг = IшRш.
2. Общий ток делится между рамкой и шунтом: Iш = I − Iг.
3. Подставляя это выражение, получаем Rш = IгRг/(I − Iг). Чем больше нужный предел I, тем меньше должно быть сопротивление шунта.

Ответ: Rш = IгRг/(I − Iг); шунт подключают параллельно гальванометру.

3. Расчёт добавочного сопротивления

Условие. Гальванометр с сопротивлением Rг и предельным током Iг нужно использовать как вольтметр с пределом U. Найдите добавочное сопротивление и укажите способ подключения.

1. При предельном напряжении через последовательную цепь должен идти ток Iг, поэтому её полное сопротивление равно R = U/Iг.
2. Полное сопротивление складывается из сопротивления гальванометра и добавочного сопротивления: R = Rг + Rд.
3. Отсюда Rд = U/Iг − Rг. Полученное сопротивление включают последовательно, чтобы ограничить ток через рамку.

Ответ: Rд = U/Iг − Rг; добавочное сопротивление соединяют последовательно с гальванометром, а полученный вольтметр подключают параллельно участку.

Типичные ошибки

Амперметр подключают параллельно участку. Так делают, путая измерение тока с измерением напряжения, но малое сопротивление амперметра создаёт почти короткое замыкание. Проверьте себя вопросом: должен ли весь ток пройти через прибор? Если да, соединение последовательное.

Вольтметр подключают последовательно. Ошибка возникает из-за невнимательности к тому, что измеряют напряжение между двумя точками. Вольтметр должен быть соединён с обоими концами нужного участка, то есть параллельно ему.

Шунт путают с добавочным сопротивлением. Шунт подключают параллельно и направляют часть тока в обход рамки, а добавочное сопротивление включают последовательно и ограничивает ток. Нарисуйте две ветви для шунта и одну общую цепочку для добавочного сопротивления.

Предел измерения меняют без изменения схемы. Одного выбора другого деления шкалы недостаточно: рамка всё равно может получить ток выше предельного. Проверьте, рассчитан ли шунт для амперметра или добавочное сопротивление для вольтметра.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны закон Ома, а также правила последовательного и параллельного соединения проводников. Эти знания позволяют рассчитывать токи в ветвях и сопротивления измерительных приборов.

Устройство приборов пригодится при сборке электрических цепей и выполнении лабораторных измерений. Оно также связано с погрешностью: подключение прибора немного изменяет сопротивление цепи и её режим работы.

Что запомнить

• Амперметр измеряет силу тока и включается последовательно.
• Сопротивление амперметра должно быть малым по сравнению с сопротивлением участка.
• Вольтметр измеряет напряжение и включается параллельно участку.
• Сопротивление вольтметра должно быть большим.
• Шунт подключают параллельно гальванометру, чтобы расширить предел измерения тока.
• Добавочное сопротивление подключают последовательно с гальванометром, чтобы расширить предел измерения напряжения.