§13. Измерение силы тока и напряжения

Определения и обозначения

Амперметр — прибор для измерения силы тока в электрической цепи. Его показания выражают в амперах (А), а также в миллиамперах (мА), если ток небольшой. Чтобы считать значение со шкалы, находят цену одного деления и умножают её на число делений от нуля до стрелки; у цифрового прибора показание отображается на экране.

Вольтметр — прибор, измеряющий напряжение между двумя точками цепи. Напряжение выражают в вольтах (В), а для малых или больших значений используют, например, милливольты и киловольты. При измерении важно определить именно разность потенциалов между выбранными точками, а не просто наличие источника в цепи.

Шунт — резистор, который подключают параллельно измерительному механизму, чтобы расширить предел измерения амперметра. Через механизм проходит только часть общего тока, а остальная часть — через шунт. Это позволяет измерять ток, превышающий допустимый для самого механизма.

Добавочное сопротивление — резистор, включаемый последовательно с измерительным механизмом для расширения предела вольтметра. На нём падает часть измеряемого напряжения, поэтому через механизм не проходит ток выше допустимого. Такой резистор нужен, если измеряемое напряжение больше максимального значения, на которое рассчитан механизм.

Как это устроено

Внутри измерительного прибора находится механизм, который реагирует на электрический ток и перемещает стрелку либо формирует цифровое показание. Поэтому прибор нужно включить так, чтобы через этот механизм проходил ток, связанный с измеряемой величиной. Если способ подключения выбран неверно, механизм покажет не нужный параметр, а сам прибор может повлиять на цепь.

Амперметр подключают последовательно с участком, в котором измеряют ток. В последовательной цепи заряд проходит через элементы один за другим, поэтому через амперметр и участок течёт один и тот же ток. При параллельном подключении ток разделился бы между ветвями, и показание прибора уже не соответствовало бы току через исследуемый элемент.

Сопротивление амперметра делают малым, чтобы он как можно меньше менял ток цепи. Последовательное включение прибавляет сопротивление прибора к сопротивлению участка, а значит, может уменьшить ток. Чем меньше это добавочное сопротивление по сравнению с сопротивлением цепи, тем ближе измеренное значение к исходному.

Вольтметр подключают параллельно тому участку, напряжение на котором требуется измерить. При параллельном соединении напряжение на приборе и участке одинаково, поэтому механизм получает нужную разность потенциалов. Большое сопротивление вольтметра ограничивает ток через его ветвь и не позволяет заметно изменить распределение токов в цепи.

У каждого измерительного механизма есть предел: при большем токе или напряжении он может показать неверное значение или повредиться. Для амперметра часть тока отводят через параллельный шунт, а для вольтметра добавляют последовательно включённое сопротивление. В обоих случаях механизм работает в допустимом режиме, а шкалу прибора пересчитывают на расширенный диапазон.

Сравнение амперметра и вольтметра

Сначала определите, какую величину нужно измерить, затем выберите соответствующий прибор и способ его подключения. Требования к сопротивлению помогают понять, почему амперметр и вольтметр нельзя менять местами. Последняя строка показывает, какой элемент нужен, если штатного диапазона измерений недостаточно.

Разбор задач

В цепь последовательно с резистором включены источник и амперметр. Сила тока равна 0,35 А. Определите заряд, прошедший через резистор за 2 мин.

1. Амперметр включён последовательно с резистором, поэтому его показание равно току через резистор: I = 0,35 А.

2. Переведём время в секунды: t = 2 мин = 120 с. Используем связь силы тока с зарядом: q = It.

3. Подставим значения: q = 0,35 А · 120 с = 42 Кл. Заряд измеряется в кулонах, поскольку 1 А = 1 Кл/с.

Ответ: через резистор прошёл заряд 42 Кл.

К резистору сопротивлением 12 Ом параллельно подключён вольтметр, который показывает 6 В. Определите ток через резистор.

1. Вольтметр подключён параллельно, поэтому напряжение на нём равно напряжению на резисторе: U = 6 В.

2. Для тока через резистор применим закон Ома: I = U/R. Подставим напряжение 6 В и сопротивление 12 Ом.

3. Получаем I = 6 В / 12 Ом = 0,5 А. Это ток через резистор, а не обязательно общий ток источника: вольтметр тоже может потреблять небольшой ток.

Ответ: ток через резистор равен 0,5 А.

Измерительный механизм имеет сопротивление 10 Ом и рассчитан на ток 1 мА. Рассчитайте сопротивление шунта, чтобы амперметр измерял ток до 1 А.

1. При максимальном измеряемом токе I = 1 А через механизм идёт только допустимый ток Iм = 1 мА = 0,001 А. Остальной ток проходит через шунт: Iш = 1 − 0,001 = 0,999 А.

2. На механизме и шунте одинаковое напряжение, так как они соединены параллельно. Напряжение на механизме равно U = IмRм = 0,001 А · 10 Ом = 0,01 В.

3. По закону Ома для шунта Rш = U/Iш = 0,01 В / 0,999 А ≈ 0,010 Ом. Малое сопротивление шунта направляет через него почти весь ток.

Ответ: сопротивление шунта должно быть примерно 0,010 Ом.

Типичные ошибки

Амперметр иногда подключают параллельно участку, принимая его за прибор, который просто «проверяет» элемент. Из-за малого сопротивления амперметра через него может пойти чрезмерный ток, фактически создав короткое замыкание. Перед включением проверьте: амперметр должен стоять в разрыве цепи последовательно, а не соединять два конца одного участка.

Вольтметр могут включить последовательно, потому что его ошибочно считают универсальным измерителем. Большое сопротивление такого прибора резко ограничит ток, и режим цепи изменится, а напряжение на нужном элементе не будет измерено правильно. Проверьте, что выводы вольтметра подключены к разным концам исследуемого участка, то есть параллельно ему.

Нельзя считать, что приборы совсем не влияют на цепь: у реального амперметра сопротивление не равно нулю, а у вольтметра оно не бесконечно. Это допущение приводит к небольшому изменению тока или его распределения. Для проверки оцените сопротивление прибора относительно участка: амперметр должен быть намного меньше, а вольтметр — намного больше.

Ещё одна ошибка — превышать предел измерения или путать полярность при подключении прибора постоянного тока. Стрелка может отклониться за шкалу, а цифровой прибор — показать знак минус; превышение диапазона способно повредить устройство. До подключения выберите достаточный предел, проверьте полярность и при сомнении начните с большего диапазона.

Связь с другими темами

Для измерений нужно знать, что означают сила тока и напряжение, в каких единицах их выражают и как соединяют элементы электрической цепи. Понимание последовательного и параллельного соединений объясняет выбор места для каждого прибора. Эти правила пригодятся при изучении цепей постоянного тока и при экспериментальной проверке закона Ома.

Что запомнить

• Силу тока измеряют амперметром, напряжение — вольтметром.
• Амперметр включают последовательно с участком цепи.
• Вольтметр подключают параллельно участку цепи.
• Сопротивление амперметра должно быть малым.
• Сопротивление вольтметра должно быть большим.
• Шунт расширяет предел измерения амперметра, добавочное сопротивление — вольтметра.