4. Электроизмерительные приборы. Электродвигатель

Определения и обозначения

Амперметр — прибор для измерения силы тока. На схеме его обозначают кругом с буквой A и включают последовательно с потребителем, чтобы весь ток прошёл через прибор. Он нужен для контроля тока в конкретной ветви цепи.

Вольтметр — прибор для измерения напряжения между двумя точками цепи. На схеме его обозначают кругом с буквой V и подключают параллельно участку, сравнивая потенциалы его концов. Так можно узнать, какое напряжение приходится на лампу или резистор.

Электродвигатель — устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую энергию вращения. Внутри него ток взаимодействует с магнитным полем и заставляет подвижную часть вращаться. Поэтому электрическая энергия может приводить в движение вентилятор, игрушку или станок.

Коллектор — часть электродвигателя, изменяющая направление тока в рамке при её вращении. Он соединяет рамку с внешней цепью через скользящие контакты и переключает соединения после полуоборота. Благодаря этому вращающий момент сохраняет нужное направление.

Как это устроено

В стрелочных электроизмерительных приборах используется магнитное действие тока. Ток проходит по катушке или рамке, помещённой в магнитное поле постоянного магнита, и на проводники действуют силы. Их совместное действие поворачивает рамку, а стрелка показывает результат на шкале; чем больше измеряемый ток, тем больше поворот.

Амперметр включают последовательно, потому что измеряют ток, проходящий через выбранный участок. В последовательной цепи через все элементы проходит один и тот же ток, поэтому показание прибора относится именно к этому участку. Параллельное подключение направило бы ток по отдельной ветви и нарушило бы нормальную работу цепи.

Сопротивление амперметра делают очень малым: при последовательном включении оно прибавляется к сопротивлению нагрузки. Если оно велико, общий ток заметно уменьшится и показание уже не будет соответствовать прежнему режиму цепи. Малое сопротивление позволяет почти не влиять на измеряемую величину.

Вольтметр подключают параллельно, потому что напряжение — это разность потенциалов между двумя точками. При таком соединении оба вывода прибора находятся именно в этих точках и испытывают ту же разность потенциалов, что и участок. Большое сопротивление вольтметра ограничивает ток через его собственную ветвь, поэтому он мало изменяет цепь.

В электродвигателе рамка с током находится в магнитном поле. На две её противоположные стороны действуют силы, направленные в разные стороны, и они образуют вращающий момент. После поворота на пол-оборота коллектор меняет направление тока, поэтому силы снова толкают рамку так, чтобы она вращалась в прежнюю сторону; без коллектора вращение не было бы непрерывным.

Электроизмерительные приборы и электродвигатель

В таблице собраны различия между приборами и двигателем. Сначала определите, какую величину нужно измерить или какое преобразование происходит, затем выберите способ включения. Отдельно проверьте сопротивление прибора: именно оно помогает понять, будет ли измерение безопасным и точным.

Разбор задач

Подключение приборов к лампе

Условие. Нужно измерить силу тока через лампу и напряжение на её выводах. В цепи есть источник, лампа, амперметр и вольтметр. Требуется определить места подключения приборов.

1. Амперметр ставим в разрыв цепи последовательно с лампой, чтобы ток через лампу проходил и через амперметр.
2. Вольтметр присоединяем двумя выводами к двум контактам лампы, то есть параллельно ей.
3. Перед включением проверяем полярность приборов и выбираем предел, который не меньше ожидаемого значения.

Ответ. Амперметр включают последовательно с лампой, а вольтметр — параллельно её выводам. Такое соединение позволяет измерить именно ток лампы и напряжение на ней.

Определение сопротивления резистора

Условие. Амперметр показывает I = 0,20 А, а вольтметр — U = 6 В. Нужно найти сопротивление резистора и выбрать предел измерения. Считаем показания достоверными и используем закон Ома.

1. Записываем формулу для сопротивления: R = U / I.
2. Подставляем значения: R = 6 В / 0,20 А = 30 Ом.
3. При выборе предела берём ближайший больший предел, а показание считываем с учётом цены деления шкалы.

Ответ. Сопротивление резистора равно 30 Ом. Пределы выбирают так, чтобы измеряемые 6 В и 0,20 А не превышали верхнюю границу шкалы; начинать безопаснее с большего предела.

Работа коллектора

Условие. Рамка электродвигателя повернулась на пол-оборота, но должна продолжить движение в том же направлении. Нужно объяснить, как меняется ток в рамке. Рассматриваем действие магнитного поля на её боковые проводники.

1. До полуоборота ток создаёт силы, образующие вращающий момент в выбранную сторону.
2. После полуоборота положение проводников относительно магнита изменилось, поэтому без переключения ток дал бы момент противоположного направления.
3. Коллектор меняет соединение рамки с источником и переворачивает направление тока в ней, сохраняя нужные направления сил.

Ответ. Через каждые пол-оборота коллектор меняет направление тока в рамке. Благодаря этому вращающий момент снова направлен так, чтобы рамка продолжала вращаться в одну сторону.

Типичные ошибки

Амперметр подключают параллельно, потому что путают измерение силы тока с измерением напряжения. Его малое сопротивление создаёт почти короткое замыкание и может повредить цепь. Проверка: амперметр всегда должен стоять в разрыве ветви.

Вольтметр включают последовательно, так как забывают, что он сравнивает две точки. В таком соединении его большое сопротивление резко уменьшает ток и искажает работу цепи. Проверка: найдите два конца нужного элемента и подключите к ним оба вывода вольтметра.

Измерение начинают с малого предела или выбирают предел ниже предполагаемого значения. Это может вызвать перегрузку прибора и опасный выход стрелки за шкалу. Проверка: сначала ставьте самый большой подходящий предел, а затем уменьшайте его.

Считают, что рамка будет вращаться сама по себе без переключения тока. После полуоборота силы могли бы создать момент в обратную сторону, поэтому двигатель остановился бы или начал колебаться. Проверка: вспомните, что именно коллектор меняет ток после каждого полуоборота.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны сила тока, напряжение, сопротивление, закон Ома и правила составления электрических цепей. Эти знания объясняют показания приборов и их влияние на цепь.

Электроизмерения связаны с магнитным действием тока, электромагнитами, генераторами и бытовыми устройствами. Электродвигатель показывает обратное генератору преобразование энергии: электрическая энергия превращается в механическую.

Правильное подключение приборов необходимо в лабораторных работах. Соблюдение полярности, выбор предела и отключение источника при перестройке цепи помогают избежать повреждений и обеспечивают безопасность.

Что запомнить

• Амперметр измеряет силу тока и включается последовательно.
• Вольтметр измеряет напряжение и включается параллельно.
• Сопротивление амперметра должно быть малым.
• Сопротивление вольтметра должно быть большим.
• На проводник с током в магнитном поле действует сила.
• Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую.
• Коллектор изменяет направление тока в рамке и поддерживает её вращение.