Вольтметр измеряет: Что измеряет вольтметр и на что обратить внимание при выборе идеального устройства

Что измеряет вольтметр и на что обратить внимание при выборе идеального устройства

Такой прибор, как вольтметр, знаком каждому еще со времен изучения физики, а точнее — электродинамики. Если знать, что измеряет вольтметр, можно применять его с пользой. Главное — помнить, что подключать в сеть его нужно параллельно, иначе показания будут неточными. При работе важно соблюдать меры предосторожности, так как электрический ток любого напряжения представляет опасность для жизни.

• Подробнее о приборе
• Что такое напряжение
• Разновидности вольтметров
• Технические характеристики
• Принцип работы
• Меры безопасности

Подробнее о приборе

Вольтметр предназначен для измерения напряжения тока в электрической цепи. Название его происходит от традиционного для измерительных приборов слова «метр» и от единицы измерения напряжения — «Вольт». Достаточно включить такой прибор в сеть, и он начнет показывать значение напряжения.

Конечно, без погрешностей не обходится, но они незначительны. Для того чтобы показания прибора были идеальными, он должен иметь бесконечное внутреннее сопротивление, в противном случае неизбежно его влияние на ту цепь, к которой он подключен. Разумеется, такое сопротивление быть не может: идеальных вольтметров не бывает, но при их производстве делается все возможное, чтобы повысить внутреннее сопротивление.

Что такое напряжение

Чтобы точно понять, как работает и что показывает вольтметр, необходимо знать, что собой представляет объект его измерения. Важно понимать, что такое напряжение и от чего зависит его величина.

Как известно, из школьного курса физики, величина вычисляется по формуле U=IR, где:

• U — это собственно и есть напряжение;
• I — сила тока;
• R — сопротивление на участке цепи.

Чтобы определить напряжение в сети, нужно умножить силу тока на сопротивление. Причем предварительно, следует узнать, чему равны две последние величины. Например, если сила тока равна 5 Ампер, а сопротивление на участке — 2 Ом, то напряжение составит 10 Вольт.

Впрочем, приведенная выше формула, хоть и максимально проста, но все же не дает представления о том, что же такое напряжение и зачем его вообще нужно измерять. Ведь это лишь цифры, не более. Сам ток, к сожалению, не виден, как, впрочем, не видны и заряженные микроскопические частицы.

Для простоты понимания можно сравнить электрический ток в проводнике с предметами, которые часто нами наблюдаются в обыденной жизни. В частности, здесь поможет сравнение с движением воды в реках и водопадах: то есть ее течением с высокого уровня на низкий. Здесь напряжение соответствует высоте: разности уровней. Иными словами напряжение в электросети — это то же самое, что напор воды в реке. Если напряжения в сети нет, то нет и тока. Также не будет и течения в том водоеме, где уровень воды всюду одинаков, например, в пруду или в озере.

На шкале прибора обычно ставят букву «V». Это делается для того, чтобы его проще можно было отличить от других электроизмерительных приборов, например, от амперметра, который показывает силу тока. Дело в том, что эти приборы внешне очень похожи друг на друга.

Диапазон вольтметра может быть различным. Те приборы, которые предназначены для включения в слабую электрическую сеть, максимум могут показать 5 Вольт. Бывают приборы и с большим диапазоном, например, в 10 или в 25 Вольт. Более мощные устройства способны показывать и тысячу Вольт. Разумеется, все зависит от предназначения вольтметра.

Разновидности вольтметров

Есть несколько видов вольтметров. В первую очередь устройства вольтметров подразделяются на две основные разновидности:

1. Стационарные. Как правило, встроены в саму сеть и отсоединение их не представляется возможным.
2. Мобильные. Их можно переносить с места на место и использовать в разных электросетях.

Выделяется также несколько видов вольтметров по принципу действия. Среди них есть множество электромеханических и пара электронных. Последние, в свою очередь, могут быть цифровыми и аналоговыми. Значение напряжения может указываться движущейся стрелкой или меняющимися электронными цифрами на дисплее.

Также вольтметры классифицируются по назначению. Среди них выделяются приборы, предназначенные для измерения постоянного тока или переменного.

Кроме того, устройства могут быть импульсными, фазочувствительными, универсальными.

Технические характеристики

Характеристики вольтметра зависят от его предназначения. Например, прибор, который измеряет напряжение постоянного тока, может обладать двумя, тремя или большим количеством диапазонов. Их число как раз и является одной из важнейших технических характеристик.

При выборе вольтметра нужно:

1. Обращать внимание на такую характеристику, как входное сопротивление. Она зависит от того, в каком диапазоне находится напряжение исследуемого участка электросети
2. Учитывать цену деления шкалы прибора и его погрешность в измерении.
3. Если был приобретен универсальный вольтметр, то обязательно учесть диапазоны величин, с которыми вольтметр может работать: сопротивления, силы тока, температуры.

Принцип работы

Как уже говорилось выше, по принципу действия вольтметры подразделяются на две разновидности — электромеханические и электронные. Строение первых представляет собой магнитную систему, которая способна реагировать на электрическое поле. Главный недостаток таких приборов состоит в том, что они, будучи подключенными к сети, способны сами на нее влиять, и поэтому их показания зачастую являются неточными.

Электронные же приборы, которые сегодня, в эпоху цифровых технологий становятся все популярнее, могут преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой. Такие приборы недороги и очень удобны в использовании.

При подключении устройства в сеть важно соблюдать основное правило: его зажимы должны подсоединяться к тем точкам цепи, между которыми определяется напряжение. Такое подключение называется параллельным. Это требование нужно соблюдать обязательно, иначе устройство может просто-напросто перегореть.

Меры безопасности

Поскольку сам прибор имеет большое сопротивление, а в сеть он подключается параллельно, вероятность того, что при работе с ним человек получит сильный удар током, минимальна. Однако если вольтметры используются в промышленности, часто приходится иметь дело с большими значениями напряжения и других величин, характеризующих электрический ток.

Нужно быть очень осторожным, измеряя напряжение в сети посредством этого электроизмерительного прибора. Ни в коем случае нельзя прикасаться к прибору голыми руками. Избежать несчастного случая помогут перчатки из непроводящего ток материала, например, из резины.

Нельзя прикасаться к оголенным проводам, даже если уже известно, что напряжение в них не очень велико, например, Вольт или еще меньше.

что он измеряет, как вольтметр включают в цепь и как пользоваться?

Самый востребованный прибор для измерения электрических параметров – это вольтметр. Снятие показаний проводится методом непосредственного отсчета, то есть модуль прибора подключается к тому участку цепи, с которого снимаются показания. Единица измерения – вольты.

Что измеряет вольтметр? Ответ не так однозначен, как кажется. Как минимум две величины, измеряемые этим прибором, на одних и тех же контактах будут отличаться. Это напряжение под нагрузкой и электродвижущая сила (ЭДС).

Последний параметр является разностью потенциалов между выходными контактами источника питания, и его величина существенно выше, чем действительное значение напряжения.

Для пользователей, не имеющих электротехнического образования, необходимо знать, как вольтметр включают в цепь. В отличие от амперметра – прибор подключается к измеряемому участку цепи параллельно.

При этом измерение производится именно на том участке цепи, который находится между измерительными контактами. Если одна электрическая схема состоит из множества последовательных нагрузочных элементов с разными параметрами – напряжение на каждом участке цепи будет различным.

Если прибор подключить непосредственно к контактам элемента питания (например батарейки), вы увидите величину ЭДС, а вовсе не действительное значение напряжения.

Классификация вольтметров

По принципу действия измерительного модуля:

Оснащенные электромеханическим исполнительным механизмом.
Процесс измерения построен на непосредственной линейной зависимости механического движения от измеряемой величины. Стрелка размещается на рамке-обмотке, которая на свободной оси размещена внутри постоянного магнитного поля.

Когда к рамке прикладывается напряжение – вокруг нее возникает электромагнитное поле. Головка проворачивается в магнитном поле постоянного магнита.

Оснащенные электронным измерительным инструментом.
Специальный блок преобразует приложенное напряжение в импульсный или аналоговый код, который передается на блок отображения. Он в свою очередь может быть цифровым или аналоговым.

По назначению:

• Измерение напряжения (ЭДС) постоянного тока;
• Измерение напряжения (ЭДС) переменного тока;
• Приборы, способные измерять импульсное напряжение;
• Фазочувствительные. Измеряют квадратурную составляющую напряжения первой гармоники. Основное применение – звуковая аппаратура;
• Селективные. Измеряют напряжение в виде синусоиды, в узком диапазоне частот. Настройка измерительной головки на частоту способствует более точному измерению величины;
• Универсальные. Из названия следует, что ими можно измерять напряжение (ЭДС) в любых условиях. Как правило, оснащены наборами гасящих резисторов (шунтов).

По способу исполнения:

Переносные.
Поскольку питание для работы прибора не требуется (за исключением электронных систем), эти вольтметры занимают мало места и имеют удобный корпус. Разновидностью прибора является мультиметр. Несмотря на компактные размеры, точность измерения достаточно высока.

Стационарные.
Размещены в мощном корпусе, как правило, имеют крупную шкалу. Имеют возможность механической установки прибора как по горизонтали, так и предела измерения. Имеют более высокую стоимость, но хорошая точность позволяет применять такие приборы даже в лабораториях.

Щитовые.
Выглядят, как переносные, устанавливаются в ниши контрольных шкафов.

Важно! Технология рабочей головки позволяет вольтметрам работать постоянно, в режиме 365/24. Для непрерывного мониторинга параметров электроустановок это очень удобно.

Прибор имеет очень малое внутреннее сопротивление. Причем независимо от конструкции: механический или электронный. Во время измерения неважно, как работает вольтметр, и на каком участке измеряется напряжение.

На цепь не будет оказано никакого влияния.

Как пользоваться вольтметром?

Казалось бы, чего проще – подключай и меряй. На самом деле есть несколько правил, которые мы рекомендуем выполнять.

1. Надо знать диапазон измерений. Вольтметр – достаточно чувствительный прибор, при перегрузке обмотка рамки или электронная схема моментально выйдет из строя. Если у вас милливольтметр – не следует совать проверочные провода в розетку бытовой сети 220 вольт;
2. Механические приборы должны быть размещены в соответствие с инструкцией. На корпусе есть обозначение вертикального или горизонтального положения корпуса;
3. Включается в цепь вольтметр независимо от наличия нагрузки или рабочего напряжения;
4. Внимание! Если вы измеряете напряжение более 60 вольт – пользуйтесь проводами с увеличенным изолирующим покрытием. По возможности используйте диэлектрические перчатки, особенно при измерении величин от 400 вольт и выше.

Прибор в целом достаточно примитивный. При наличии старой базы деталей, доставшейся от СССР, можно изготовить неплохой вольтметр своими руками.

Как сделать вольтметр из подручных материалов?

Прежде всего, необходима головка прибора и набор резисторов и радиодеталей.

Для установления различного диапазона измерений необходим магазин резисторов. Их подключают последовательно с прибором. На каждом будет гаситься напряжение до приемлемой величины.

Диоды нужны для измерения переменного и постоянного напряжения с помощью одного и того же прибора. Вы создаете как бы переключатель диапазонов измерения.

Подготовьте нагрузку с изменяемой величиной. Убедитесь в том, что при повороте реостата, стрелка равномерно движется от начала шкалы до ее границы.

Подключите параллельно новый прибор, и юстировочный. Меняя нагрузку, добейтесь максимально точных значений контрольного прибора. В нужном диапазоне фиксируйте нагрузку, и наносите разметку на шкалу новодела. После калибровки прибор готов к работе.

Обратите внимание

Если вы хотите получать точные измерения постоянно – проверяйте прибор не реже чем один раз в полгода.

Посмотрите видео о вольтметре. Подробно о простом. Как пользоваться вольтметром, что им измеряют и как подключить к прибору.

Электромагнетизм

– Что на самом деле измеряет вольтметр?

Типичный вольтметр содержит внутренний омический резистор с известным и очень высоким сопротивлением $R$ (называемым «входным сопротивлением» или «входным импедансом») и чрезвычайно чувствительный амперметр, измеряющий ток через этот резистор. Когда вольтметр подключен параллельно к некоторым элементам цепи, то в идеале внутренний резистор имеет сопротивление, намного превышающее сопротивление любого из элементов цепи, на котором измеряется напряжение, что он действует как почти идеальный изолятор, и подавляющее большинство ток (если он есть) протекает через измеряемые элементы цепи. Вольтметр измеряет крошечную величину тока $I$, проходящего через его внутренний резистор, а затем отображает напряжение $V = IR$. Помимо ошибки калибровки в $R$ и прямой ошибки измерения тока, отображаемое значение вольтметра станет неправильным, когда измеряемое напряжение настолько велико, что отклик внутреннего резистора перестает быть омическим.

Существует нетривиальная проблема оптимизации того, насколько высоким должно быть входное сопротивление вольтметра: чем оно выше, тем меньший ток проходит через вольтметр, что затрудняет точное измерение. С другой стороны, вы обычно не хотите, чтобы заметная часть общего тока проходила через вольтметр, иначе простое подключение вольтметра к цепи фактически изменит поведение цепи, что обычно нежелательно.

Как вы сказали в своем вопросе, измерить $\Phi$ вообще невозможно, даже в принципе, потому что это величина, зависящая от калибровки. Настоящий вольтметр обычно состоит из двух проводов (которые являются хорошими проводниками), которые соединяются с элементом схемы, а между ними находится фактический измерительный прибор. b \vec{E} \cdot d\vec {l}$ по проводу, как вы предложили. Согласно закону Фарадея, любое зависящее от времени магнитное поле будет индуцировать электрический ток, поэтому показания вольтметра будут меняться по мере того, как провода, соединяющие его с цепью, проходят через изменяющееся магнитное поле. Так что если поблизости есть магнитные поля, заметно меняющиеся во времени, то показания на вольтметре будут зависеть от точного положения проводов, соединяющих его с цепью, и вообще эта величина не очень полезна.

(В более реалистичной модели вольтметра, где мы принимаем во внимание тот факт, что сопротивление внутреннего резистора намного, намного выше, чем сопротивление внешних проводов, мы обнаруживаем, что $\vec{E}$ обычно пренебрежимо мало внутри провода и примерно постоянны на внутреннем резисторе, поэтому показание вольтметра в основном просто равно $\vec{E} \cdot \vec{l}$, где $\vec{l}$ – ориентированная длина внутреннего резистора, а $\vec{E}$ — это электрическое поле в месте его расположения. Фактически, большинство локальных датчиков электрического поля имеют ту же базовую конструкцию, что и вольтметры: чрезвычайно чувствительный амперметр, измеряющий сопротивление на омическом резисторе известной длины и входного сопротивления. если вы хотите, чтобы входное сопротивление было 9в 4$ раза больше, чем у вольтметра), чтобы предотвратить протекание через него тока, так как возникающее в результате накопление заряда частично нейтрализует внешнее поле.)

электричество – Эксперименты, показывающие, что вольтметр измеряет энергию на единицу заряда

Задавать вопрос

спросил 1 год, 9 месяцев назад

Изменено 1 год, 9несколько месяцев назад

Просмотрено 30 раз

$\begingroup$

В «Физике для пытливого ума» Эрика Роджерса описан эксперимент, показывающий, что вольтметр (рассматриваемый как черный ящик) действительно измеряет работу, выполняемую на единицу заряда, путем непосредственного измерения последнего и сравнения его с показаниями вольтметра: Он рассматривает резистор внутри калориметра, а затем рассчитывает по увеличению температуры переданную энергию и т. д., а затем сравнивает результаты с показаниями вольтметра.

Позже он пишет:

Некоторым людям нравится использовать эксперимент с вольтметром с катушкой в ​​воде, чтобы «измерить механический эквивалент тепла», как далее свидетельство в пользу работы Джоуля и большого обобщения закона сохранения энергии. В этом случае они также не могут использовать этот эксперимент для проверки вольтметра.

Существуют ли другие эксперименты с той же целью, в частности те, в которых не используется теория тепла? У вас есть ссылки на статьи, где подробно описано, как на самом деле проводятся эти эксперименты?

В сноске он предлагает следующий подход:

Один, апелляционный суд высшей инстанции по электродинамике, состоит из сделать очень примитивный генератор, напряжение которого можно рассчитать непосредственно из его размеров и скорости бега и измеренного ток, который используется для создания магнитного поля. Это обеспечит стандартное напряжение.