Для измерения токов и напряжений в электрических цепях применяются амперметры и вольтметры, главным элементом которых служит гальванометр – устройство, созданный для измерения величин токов. Эти измерения могут быть основаны на одном из действий тока: термическом, физическом, хим. Гальванометр, градуированный на величину тока, именуется амперметром. По закону Ома (8) напряжение и сила тока связаны прямо пропорциональной зависимостью, потому гальванометр можно градуировать и на напряжение. Таковой устройство именуют вольтметром.
В этом задании мы не будем касаться вопросов, связанных с определенным устройством электроизмерительных устройств, с их системами и механизмами работы. Остановимся только на требованиях, предъявляемых к внутренним сопротивлениям амперметров и вольтметров. Принципиально, дабы при включении в цепь для измерений эти приборы вносили как можно наименьшее искажение в измеряемую величину.
Амперметр врубается в цепь последовательно. Если сопротивление амперметра `R_"а"` и его подключают к участку цепи с сопротивлением `R_"ц"` (рис. 7а), то эквивалентное сопротивление участка цепи и амперметра в согласовании с (13) равно `R=R_"ц"+R_"а"=R_"ц"(1+(R_"а")/(R_"ц"))`.
Отсюда следует, что амперметр не будет приметно изменять сопротивление участка цепи, если его собственное (внутреннее) сопротивление будет не достаточно по сопоставлению с сопротивлением участка цепи.
Дабы достигнуть этого, гальванометр пичкают шунтом (синоним – дополнительный путь): вход и выход гальванометра соединяются некоторым сопротивлением, обеспечивающим параллельный гальванометру дополнительный путь для тока (рис. 7 б). Потому внутреннее сопротивление амперметра меньше, чем у применённого в нём гальванометра. (Читателю рекомендуется лично убедиться в этом при помощи соотношения (14).) Амперметр именуется безупречным, если его внутреннее сопротивление можно считать равным нулю.
Вольтметр подключается к электрической цепи параллельно тому участку, напряжение на котором нужна измерить. Присоединив, к примеру, вольтметр с сопротивлением `R_"в"` параллельно лампочке с сопротивлением `R_"л"` (рис. 8 а), получим участок цепи, эквивалентное сопротивление которого рассчитывается по формуле (14) `R=R_"л" (R"в")/(R_"л"+R_"в")`.
Отсюда следует, что чем больше сопротивление вольтметра по сопоставлению с сопротивлением лампочки, тем меньше эквивалентное сопротивление будет отличаться от сопротивления лампочки. Вывод: дабы процесс измерения меньше искажал значение измеряемого напряжения, собственное (внутреннее) сопротивление вольтметра должно быть как можно больше. Потому в вольтметре последовательно гальванометру включают некоторое сопротивление (рис. 8б). Внутреннее сопротивление такового вольтметра, обычно, во много раз больше сопротивления входящего в него гальванометра. Вольтметр именуется безупречным, если его внутреннее сопротивление можно считать нескончаемо огромным.
Каждый измерительный устройство рассчитан на определённый интервал значений измеряемой величины. И в согласовании с этим проградуирована его шкала. Для расширения пределов измерений в амперметре можно применять дополнительный шунт, а в вольтметре – дополнительное сопротивление. Найдём значения этих сопротивлений, увеличивающих наивысшую измеряемую величину тока либо напряжения в раз.
Амперметр
Если в каком-либо проводнике течет ток, то он характеризуется таковой величиной, как «сила тока». Сила тока в свою очередь характеризуется количеством электронов, которые проходят через поперечное сечение проводника за единицу времени. Но мы все обучались в школе и знаем, что электронов в проводнике млрд млрд и считать количество электронов было бы глупо.
Потому Исследователи выкрутились из этой ситуации и выдумали единицу измерения силы тока и окрестили ее «Ампер», в честь французского физика-математика Андре Мари Ампера. Что все-таки собой представляет 1 Ампер? Если сила тока в проводнике равна 1 амперу, то за секунду через поперечное сечение провода проходит заряд, равный 1 Кулону. Либо обычным языком, все электроны в сумме должны давать заряд в 1 Кулон и они должны в течение одной секунды пройти через поперечное сечение проводника. Если учитывать, что заряд 1-го электрона 1.6х10 -19 , то можно выяснить, сколько электронов в 1 Кулоне. А вот для того, дабы определять амперы, Исследователи выдумали устройство и окрестили его «амперметром».
Амперметр – это устройство для измерения силы тока в электрической цепи. Хоть какой амперметр рассчитан на измерение токов определенной величины. В электронике в главном оперируют микроАмперами (мкА), миллиАмперами (мА), также Амперами (А). Поэтому, зависимо от величины измеряемого тока приборы для измерения силы тока делятся на амперметры (PA1), миллиамперметры (PA2) и микроамперметры (PA3).
На принципных схемах амперметр, как измерительный устройство обозначается вот так.
Какие бывают амперметры?
1-ый тип амперметра – аналоговый. Их ещё именуют стрелочными. Вот так они смотрятся.
Такие амперметры имеют магнитоэлектрическую систему. Они состоят из катушки узкой проволоки, которая может крутиться между полюсами неизменного магнита. При пропускании тока через катушку, она стремится установиться по полю под действием крутящего момента, величина которого пропорциональна току. В свою очередь повороту катушки препятствует особая пружина, гибкий момент которой пропорционален углу закручивания. При равновесии эти моменты буду равны, и стрелка покажет значение, пропорциональное протекающему через нее току. Время от времени, для того, дабы прирастить предел измерения, параллельно амперметру ставят резистор определенной величины, рассчитанной заблаговременно. Это так именуемый шунтирующий резистор – шунт.
Про шунтирующее действие измерительных устройств уже тщательно рассказывалось в статье про вольтметр. Там же затрагивалось такое понятие, как входное сопротивление устройства. Итак вот, применительно к вольтметру, его входное сопротивление должно быть как можно больше. Это нужно для того, дабы устройство не влиял на работу схемы при проведении измерений и выдавал четкие результаты.
Применительно к амперметру складывается оборотная ситуация. Так как амперметр для проведения измерений врубается в разрыв электрической цепи, то нужно стремиться к тому, дабы его внутреннее сопротивление протекающему току было наименьшим. Грубо говоря, сопротивление между его измерительными щупами должно быт не много. В неприятном случае, для электрической цепи амперметр будет представлять резистор. Как понятно, чем больше сопротивление резистора, тем наименьший ток через него проходит. Таким макаром, при включении амперметра в измерительную цепь, мы искусственно понижаем ток в этой цепи. Понятно, что в таком случае, показания амперметра будут неправильные. Но не следует удручаться, так как измерительная техника разрабатывается с учётом всех этих особенностей.
Это только ещё один намёк на то, что при воззвании с мультиметрами стоит пристально относиться к выбору режима работы и правильному замеру тех либо других величин. Несоблюдение этих правил может привести к порче устройства.
Аналоговые амперметры до сего времени применяются в современном мире. Их плюс таковы, что им не нужна независящее питание для выдачи результатов, так как они применяют питание замеряемой цепи. Также они комфортны при отображении инфы. Думаю, лучше следить за стрелкой, чем за цифрами. На некоторых амперметрах есть винтик корректировки для четкого выставления стрелки устройства к нулю. Минусы – это большая инертность, другими словами для стрелки устройства необходимо какое-то время, дабы она пришла в устойчивое состояние. Хоть этот недочет в современных аналоговых устройствах проявляется слабо, но он все-же есть.
2-ой тип амперметра – это цифровой амперметр. Он состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и конвертирует силу тока в цифровые данные, который позже показываются на ЖК-дисплее.
Цифровые амперметры лишены инертности, и выдача результатов измерений находится в зависимости от частоты микропроцессора, который выдает результаты на экран. В дорогих цифровых амперметрах он может выдать до 1000 и поболее результатов за секунду. Также цифровые амперметры требуют меньше габаритов для установки, что важно в современной аппаратуре. Минусы – это то, что для измерения им нужна свой источник питания, который питает все внутренние узлы и микросхемы устройства. Есть, естественно, и такие цифровые амперметры, которые применяют питание измеряемой цепи, но все они равно изредка применяются в виду собственной накладности.
Амперметры делятся на амперметры для измерения силы тока неизменного напряжения и для измерения силы тока переменного напряжения. Но, допустим, у вас нет амперметра, дабы измерить силу тока переменного напряжения. Что все-таки тогда делать? Можно собрать очень ординарную схемку. Смотрится она вот так:
Но дабы не собирать без помощи других измерительную схему и доводить её до разума, купите для себя мультиметр. В неплохом мультиметре есть функции измерения силы тока, как для неизменного, так и для переменного напряжения.
Схема для измерения силы тока смотрится вот так:
Это значит, что амперметр мы должны подключать последовательно нагрузке.
Для того дабы верно измерить силу тока, нам нужно знать, какое напряжение производит источник питания: переменное либо неизменное. Если будем замерять силу тока неизменного напряжения, то и амперметр нам нужен для измерения силы тока неизменного напряжения, а если для переменного, то и амперметр нужен соответственный. В нашем случае нагрузкой может быть хоть какой устройство либо схема, которая потребляет ток. Это может быть лампочка, мобильник либо даже компьютер.
Измерение силы тока при помощи амперметра.
Давайте разглядим на практике, как замерять силу тока при помощи цифрового мультиметра DT-9202A.
В красном кружочке у нас буква «А~» значит, что ставя переключатель на этот участок, мы сможем замерить силу тока переменного напряжения, а ставя переключатель на секцию со значком «А=» (в синем кружке), мы сможем замерять силу тока неизменного напряжения.
Дабы измерить силу тока до 200 мА (200m) как переменного, так и неизменного напряжения, необходимо поставить щупы такового мультиметра в определенные клеммы:
Если же мы будем определять силу тока более чем в 5 Ампер, то я рекомендую для вас переставить щуп в другую клемму:
Если даже приблизительно не понимаете, сколько должно потреблять ваше устройство либо нагрузка, то всегда ставьте щуп и переключатель на наибольший предел измерения. Тем вы сохраните собственному устройству жизнь.
На рисунке снизу я измеряю силу тока, которая ест лампочка на 12 Вольт. С трансформатора я снимаю переменное напряжение 10 Вольт. Как мы лицезреем, сила тока, потребляемая лампочкой — 1.14 Ампер. Обратите повышенное внимание, что переключатель мультиметра поставлен на измерение силы тока переменного напряжения (А~).
А вот так мы замеряем неизменный ток, который потребляет авто сирена. Кричит она так, что даже уши закладывает .
Обратите также внимание, так как у нас аккумулятор неизменного напряжения 12 Вольт, то и переключатель режимов мультиметра мы поставили на измерение неизменного тока.
А вот столько у нас ест лампочка: 1.93 Ампера. Тут замеряется неизменный ток, который потребляется лампой накаливания от аккума.
Никогда не подключайте амперметр в розетку без всякой нагрузки! Тем вы просто-напросто спалите устройство. Как уже говорилось, амперметр обладает малым входным сопротивлением.
При измерении силы тока не касайтесь нагих проводов, также оголённых частей измерительных щупов. Это исключит электрический удар током. Будьте внимательны со схемой подключения амперметра.
Если Вы желаете выяснить больше про измерения электрических величин, то загляните на веб-сайт Практическая электроника. Там вы найдёте много познавательной инфы по электронике.
§ 2.9. Измерение силы тока, напряжения и сопротивления
Для измерения силы тока в проводнике используют особый устройство — амперметр, который включают последовательно с этим проводником (рис. 2.23).
Угол отличия стрелки амперметра находится в зависимости от силы тока в его измерительном механизме. В цепях неизменного тока сила тока измеряется обычно амперметрами магнитоэлектрической системы, устройство и принцип деяния которых подвергнутся рассмотрению в главе 4.
Включение амперметра не должно вызывать конфигурации в режиме работы цепи, потому сопротивление амперметра должно быть малым по сопоставлению с сопротивлением соответственного участка цепи.
Шунты к амперметру
Для измерения силы тока, превосходящей силу тока Iа, на которую рассчитан амперметр, можно пользоваться тем же амперметром. Для этого нужно параллельно амперметру подключить резистор так, дабы сила тока через амперметр была не больше величины Iа. Таковой резистор именуется шунтом (рис. 2.24).
При шунтировании амперметра измеряемый ток (I) в точке (узле) I делится на две части: часть тока проходит через амперметр (Iа), а остальная часть — через шунт (Iш), т. е. I = Iа + Iш. Разность потенциалов (напряжение) между точками 1 и 2 (см. рис. 2.24) равна:
где Rа — сопротивление амперметра и Rш — сопротивление шунта.
Из последнего выражения находим:
Отношение (обозначим его буковкой n) указывает, во сколько раз (с применением шунта) расширяется предел измерения силы тока амперметром, т. е. растет стоимость его деления. По другому говоря, при включении шунта чувствительность амперметра миниатюризируется в n раз: стрелка устройства отклонится на угол, в n раз наименьший, чем без шунта.
Из выражения (2.9.1) с учетом того, что = n, найдем сопротивление шунта:
Сечение шунтов должно быть таким, дабы была исключена возможность их нагревания, так как в неприятном случае сопротивление шунта Rш будет изменяться в процессе измерения.
Измерение напряжения
О приборе для измерения напряжения — вольтметре — мы уже гласили в § 2.4 в связи с опытнейшей проверкой закона Ома. Вольтметр присоединяют параллельно участку цепи, напряжение на котором желают измерить (рис. 2.25).
Напряжение на вольтметре такое же, как и на участке цепи. Но включение вольтметра в цепь изменяет сопротивление участка, где он включен. Оно сейчас равно не R, а
где Rв — сопротивление вольтметра. Тем самым измеряемое напряжение на участке миниатюризируется. Для того дабы вольтметр не вносил приметных искажений в измеряемое напряжение, его сопротивление должно быть огромным по сопоставлению с сопротивлением того участка цепи, параллельно которому он врубается. В этом просто убедиться, если выражение для R’ конвертировать так:
Если
Дополнительное сопротивление
Хоть какой вольтметр рассчитан на измерение напряжения, не превосходящего некоторого предела (номинальное напряжение) Uв. Но в ряде всевозможных случаев измеряемое напряжение U возможно окажется больше номинального напряжения имеющегося в нашем распоряжении вольтметра. Но если к вольтметру присоединить последовательно с ним дополнительный резистор сопротивлением R (рис. 2.26), то предел измерения напряжения вольтметром расширится.
При включении в цепь вольтметра дополнительного сопротивления измеряемое напряжение U делится на две части: одна часть Uв приходится на вольтметр, другая Uд — на дополнительный резистор:
Если
Сила тока в цепи вольтметра
Если
Если
Отношение = n указывает, во сколько раз расширяется предел измерения напряжения вольтметром, т. е. растет стоимость его деления. По другому говоря, при подсоединении дополнительного резистора чувствительность вольтметра миниатюризируется в n раз.
Из выражения (2.9.3) с учетом того, что = n, найдем значение дополнительного сопротивления к вольтметру:
Измерение сопротивления амперметром и вольтметром
Включив в цепь неизменного тока приборы, соединенные по схеме, изображенной на рисунке 2.27, и записав их показания, можно по формуле
найти значение сопротивления участка цепи между точками В и С.
Но R’x больше искомого сопротивления Rx на сопротивление амперметра, так как вольтметр определяет сумму напряжений на резисторе и на амперметре. Эту схему следует использовать при измерении сопротивлений, существенно огромных сопротивления амперметра.
Соединив приборы по схеме, изображенной на рисунке 2.28, и записав их показания, можно по аналогичной формуле найти значение сопротивления участка цепи ВС: R"x = .
Но R"x сейчас оказывается меньше искомого сопротивления R , так как сила тока, измеряемая амперметром, равна сумме сил токов в резисторе и вольтметре. Этой схемой следует воспользоваться при измерении сопротивлений, существенно наименьших сопротивления вольтметра.
Таким макаром, ни одна из приведенных схем не дает способности четкого измерения сопротивления.
Определение сопротивления мостиком Уитстона
При помощи установки, именуемой мостиком Уитстона, сопротивление определяют более точно, чем на базе закона Ома.
В схему мостика Уитстона заходит реохорд, состоящий из линейки с делениями, на которой натянута узкая однородная проволока из никелина либо другого сплава, имеющего огромное удельное сопротивление (рис. 2.29). Между концами A и В проволоки включены соединенные последовательно: резистор с известным сопротивлением R (между точками А и С) и резистор, сопротивление R0 которого должно быть измерено (между точками В и С). Точка С соединена с одним из зажимов гальванометра с нулем в центре шкалы. Другой зажим гальванометра гибкой проволокой присоединен к ползунку D, скользящему вдоль проволоки реохорда. Эта часть устройства CD похожа на мостик, перекинутый между 2-мя ветвями измерительной цепи, и дает название всей установке.
К концам A и В реохорда присоединены провода от зажимов источника тока (аккума либо гальванического элемента).
При замыкании цепи ток пойдет по веткам АСВ и ADB. Ток пройдет также по мостику CD и вызовет отклонение стрелки гальванометра.
Передвигая ползунок D и тем меняя сопротивления R1 и R2 частей проволоки, можно достигнуть того, дабы стрелка гальванометра установилась на нуле. А это значит, что ток через мостик не идет. Поэтому, потенциалы точек С и D равны между собой:
Обозначим потенциалы точек А и В соответственно через ωA и ωB, а силу тока в ветвях АСВ и ADB через I1 и I2.
Тогда на основании закона Ома для участка цепи имеем:
Разделим почленно 1-ое равенство на 2-ое:
Так как проволока реохорда однородная, то сопротивления ее частей пропорциональны их длинам:
Эта формула позволяет измерить неведомое сопротивление. Включив резисторы с измеряемым и известным сопротивлениями так, как показано на рисунке 2.29, передвигают ползунок до того времени, пока стрелка гальванометра не установится на нуле. Потом определяют «плечи» реохорда l1 и l2 и вычисляют неведомое сопротивление по формуле (2.9.5).
