Вольтметр на схеме: Компенсационные вольтметры

Содержание

схема, способы подключения, в цепь постоянного тока

Электричество является неотъемлемой составляющей повседневной жизни человека. Его основными техническими показателями являются сила тока и напряжение. Они измеряются в амперах и соответственно в вольтах. Исходя из этого, амперметр является инструментом, который измеряет силу тока, а вольтметр — напряжение. Для получения точных результатов, и увеличения сроков эксплуатации приборов, нужно выяснить, как подключить амперметр к электрической цепи.

Что такое амперметр и вольтметр

Амперметры нашли свое применение в разных промышленных и бытовых сферах. Их регулярно используют на больших предприятиях, которые связаны с выработкой и распределением тепловой и электроэнергии. Кроме того, их применяют в:

  • электрических лабораториях;
  • строении автомобилей;
  • точных науках;
  • строительных работах.
Подключение амперметра

Важно! Однако, помимо средних и крупных компаний, рассматриваемую технику используют обычные люди.

Фактически каждый электрик с соответствующими навыками имеет в арсенале такое устройство, которое дает возможность провести измерения параметров потребления электрической энергии приборами, узлами автомобиля и др.

Чтобы определить параметры тока в электрической цепи, используют спецприборы — амперметры. Приспособление включается последовательно в изучаемую электроцепь, и, из-за очень малого внутреннего сопротивления, такой измерительный аппарат не будет вносить какие-то значительные изменения в электрических параметрах цепи.

Амперметр

Вольтметр является устройством, выступающим как измерительное приспособление показателей напряжения до 1000В в сетях с постоянным и переменным током, промышленной частоты и применяется для общего анализа и проведения статистических замеров. Лучшие приспособления будут обладать крайне высоким, бесконечным сопротивлением. Благодаря большому сопротивлению устройства будет достигнута крайне высокая точность, широкие сферы применения.

Вольтметр

Принцип работы

Когда рассматривается стандартный принцип функционирования амперметра, то его действие основывается на определенных аспектах. На оси кронштейна наряду с магнитом располагается якорь из стали, на котором закреплена стрелка. Оказывая воздействие на якорь, магнит будет передавать ему магнитные качества. В такой ситуации положение якоря будет находиться вдоль силовых линий, которые проходят вдоль самого магнита.

Подобное расположение якоря определит нулевое положение стрелки на шкале. Во время протекания тока от генератора либо иного источника по шине, возле нее появляется магнитный поток. Его силовые линии в месте положения якоря направлены под наклоном 90 градусов к магниту.

Магнитный поток, который образован электротоком, будет действовать на якорь, стремящийся развернуться под прямым углом. При этом ему будет препятствовать магнитный поток, который образован в постоянном магните. Взаимодействие каждого потока будет зависеть от направления и силы электротока, который протекает по шине. На такую величину и произойдет отклонение стрелки устройства от 0.

Работа амперметра

Основой функционирования вольтметра является метод аналогово-цифрового преобразования с 2-хтактным интегрированием. Преобразователи, которые установлены в устройстве, замеряя показатели напряжения постоянного и переменного тока, его силу, сопротивление, будут преобразовывать в нормализованное напряжение и в процессе применения АЦП трансформируют в код из цифр.

Функциональная схема вольтметра функционирует, используя 4 преобразователя:

  • Масштабирующий.
  • Низкочастотное устройство, которое преобразует напряжение переменного тока в постоянный.
  • Преобразователь силы тока в напряжение.
  • Преобразователь сопротивления в напряжение.
Работа вольтметра

Характеристики приборов

Конструкция амперметра достаточно проста: стрелка с катушкой, находящейся в поле постоянного магнита. Принцип функционирования рассматриваемого устройства крайне прост: во время его включения по катушке будет течь электроток. Под воздействием силы Ампера катушка будет поворачиваться до того момента, пока упругость возвратных пружин не совпадет с силой Ампера.

Нормальное функционирование вольтметра возможно при температурных показателях воздуха не более 25 — 30 градусов с влажностью до 80% и атмосферным давлением 650 — 800 мм ртутного столба. Частота питающей электросети составляет 50 Гц и имеет показатели напряжения 220В (частота не более 400 Гц). На показатели замеров значительное воздействие окажет форма кривой переменного напряжения электросети.

Возможности приспособления оценивают посредством таких параметров и величин:

  • Сопротивление рассматриваемого устройства.
  • Диапазон замеряемых показателей напряжения.
  • Категория точности замеров.
  • Диапазон границ частоты напряжения в переменной цепи.

Разновидности

Точность измерений рассматриваемого устройства будет зависеть от принципа воздействия и разновидности приспособления. Согласно распространенной классификации все амперметры можно разделить на такие виды:

  • Магнитоэлектрические.
  • Электромагнитные.
  • Электродинамические.
  • Термоэлектрические.
  • Цифровые.
  • Ферродинамические.

Есть и иные аппараты специализированного назначения, чтобы измерять силу тока. Их применяют в узкопрофильных сферах, они не распространены настолько, как указанные выше.

Электромагнитный

Приспособления с электромагнитным принципом функционирования не оснащаются двигающейся катушкой, в отличие от магнитоэлектрических разновидностей приборов. Конструкция рассматриваемых устройств намного проще. В корпусе располагается спецустройство и 1 либо более сердечников, установленных на оси.

Рассматриваемый тип амперметра обладает меньшей восприимчивостью в сравнении с магнитоэлектрическим устройством, потому точность замеров аппарата будет значительно ниже. Достоинствами подобных приспособлений станет универсальность функционирования. Это значит, что они способны измерить силу тока в цепи постоянного и переменного токов. Это в значительной мере расширит сферу использования подобного устройства.

Электромагнитный амперметр

Магнитоэлектрический

Принцип воздействия подобной разновидности устройств основан на взаимодействии магнитного поля и двигающейся катушки, которая находится в конструкции приспособления.

Преимуществами рассматриваемого изделия станет невысокое энергопотребление при работе, повышенная восприимчивость и точность замеров. Каждый магнитоэлектрический прибор оснащается равномерным градуированием измерительной шкалы. Подобное даст возможность производить высокоточные замеры.

Важно! К минусам рассматриваемого приспособления относят сложность внутреннего устройства, присутствие двигающейся катушки. Подобное изделие не считается универсальным, поскольку оно подойдет лишь для постоянного тока.

Невзирая на минусы амперметра, такая разновидность аппарата широко распространена в разных промышленных сферах, в лабораториях.

Магнитоэлектрический амперметр

Термоэлектрический

Такая разновидность приспособлений для замера силы тока используется для электроцепей с высокочастотным током. В конструкции устройств есть магнитоэлектрический механизм, состоящий из проводов с припаянной термопарой. Во время прохождения тока подогреваются жилы проводки.

Чем больше сила, тем выше поднимаются температурные показатели. По таким параметрам спецмеханизм будет проводить перевод нагрева в показатели тока.

 

Термоэлектрический амперметр

Электродинамический

Принцип функционирования рассматриваемых приспособлений основан на взаимодействии электрополей токов, проходящих по магнитным катушкам. Устройство амперметра включает в себя подвижную и неподвижную катушки. Универсальное функционирование на каждом виде тока станет главным преимуществом рассматриваемых видов амперметра.

Из минусов следует отметить большую восприимчивость, поскольку приспособления будут реагировать даже на наименьшие магнитные поля, которые расположены в непосредственной близости. Такие поля могут создать для рассматриваемого амперметра значительные помехи, потому подобные устройства используются лишь в защищенных экраном местах.

Электродинамический амперметр

Ферродинамический

Подобные приспособления отличаются самой большой эффективностью и точностью замеров. Электромагнитные поля, которые расположены в непосредственной близости с амперметром, не будут оказывать на прибор существенного воздействия, потому отсутствует необходимость в монтаже вспомогательных экранов для защиты.

Устройство подобного изделия включает в себя замкнутую ферримагнитную проводку, сердечник и неподвижную катушку. Подобная конструкция дает возможность улучшить надежность функционирования приспособления. Потому ферродинамические разновидности амперметров зачастую используют в военных сферах и оборонных предприятиях. К основным достоинствам аппарата также относят комфорт и простоту использования, точность замеров по отношению к ранее рассмотренным разновидностям приборов.

Ферродинамический амперметр

Цифровой

Наиболее современная и комфортная разновидность устройств для замеров силы тока. В них отсутствуют стрелки, которые регулярно колеблются. Подобные приспособления оснащены монитором, где будут выведены показатели, которые отображают силу тока в амперах.

В то же время они будут давать достаточно точные сведения. К важным достоинствам цифровых устройств относят их невосприимчивость к вибрации и встряске.

Ввиду этого возможно провести замеры силы тока в автопроводке на ходу, не останавливаясь. Большинство цифровых устройств оснащаются водозащитным и антиударным корпусом, что сделает их более стойкими для применения в трудных условиях. Так как в приспособлении отсутствует стрелка, то его возможно разместить по горизонтали, по вертикали либо под наклоном. Направление устройств во время снятия замеров никоим образом не воздействует на получаемые данные.

Цифровой амперметр

Важно! Цифровым приспособлениям не страшны небольшие механические удары, которые возможны от функционирующего вблизи оборудования. Нахождение в вертикальной либо горизонтальной плоскости устройства не оказывает воздействия на его функциональность, как и изменения температурных показателей и давления. Потому подобное устройство также используют снаружи.

Схемы и способы подключения

Часто возникает вопрос, как подключать амперметр, последовательно или параллельно. Соединить рассматриваемое устройство в разрыв электроцепи не составит труда. В целях безопасности такая процедура выполняется, когда отключен источник питания. Заранее нужно удостовериться, что максимальный ток не будет превышать допустимые значения прибора. Такие шкалы дублируются в сопроводительной техдокументации. Когда подается питающее напряжение, снимаются показания. Необходимо выждать, когда прекратит колебаться стрелка. Когда она смещается в обратную сторону, то меняется полярность подключения. При чересчур сильном токе используется допшунтирование.

Схема подсоединения приспособления бывает прямой либо косвенной. В первом случае устройство непосредственно подключают в электроцепь меж источником питания и нагрузкой.

До того, как подключить приспособление необходимо учитывать:

  • постоянный либо переменный ток в электросети;
  • соблюдена ли полярность устройства;
  • стрелка приспособления должна располагаться за серединой шкалы;
  • границы измерения максимально возможных скачков тока в схеме;
  • соответствует ли внешняя среда рекомендованным показателям;
  • находится ли место измерений без влияния вибрации.
Подключение устройства

В цепь постоянного тока

Постоянный ток может проходить через разные электросхемы. В качестве примера можно привести всевозможные зарядные устройства, блоки питания. Чтобы ремонтировать подобные устройства, мастер должен иметь понимание, как подключается амперметр в электроцепь.

В домашних условиях такие навыки также не станут лишними. Они помогают человеку, который не слишком увлекается радиоэлектроникой, самому определять, например, время, на которое хватает зарядки батареи от фотоаппарата.

Чтобы провести эксперимент, понадобится в полной мере заряженный аккумулятор с номинальным напряжением, к примеру, в 3,5 В. Кроме того, нужно использовать лампу такого же номинала, чтобы создать последовательную схему:

  • аккумулятор;
  • амперметр;
  • лампочка.

Запись, которая обозначена на измерительном устройстве, фиксируется. К примеру, осветительный прибор будет потреблять электроэнергию мощностью в 150 миллиампер, а батарея имеет вместимость в 1500 миллиампер-часов. Следовательно, она будет работать в течение 10 часов, выдавая ток в 150 мА.

Цепь постоянного тока

К зарядному устройству

Часто возникает вопрос, как правильно подключать амперметр к зарядному устройству. В процессе применения зарядного устройства возникает надобность в измерении силы тока. Подобное даст возможность осуществлять контроль процесса накопления электроэнергии батареей, и избежать перезарядки с недозарядкой. Вследствие этого сроки эксплуатации аккумуляторной батареи существенно увеличатся.

Во время работы большого количества технических приспособлений появляется необходимость в контроле силы тока. Стрелки амперметра либо показатели на мониторе дискретного устройства покажут оператору такой физический параметр. Проводимые замеры нужны, чтобы поддержать рабоче состояние и для сигнализации о появлении аварийной ситуации.

Подсоединение к зарядному устройству

Как правильно использовать

Амперметр представляет собой измерительной устройство, которое предназначено в целях фиксации силы постоянного или переменного тока, который протекает в электроцепи. Вольтметр используется в аналогичных целях, только проводятся расчеты такого показателя, как напряжение. Алгоритм действий:

  • Необходимо открыть приспособление, чтобы хорошо были видны входящие и выходящие контакты: пользователь увидит как минимум 2 провода (положительный, красного цвета, и отрицательный, черного). Кроме того, иногда устройства оснащаются проводом заземления, который преимущественно окрашен в зеленый цвет.
  • Переключается измерительное устройство в позицию AC (переменный ток) либо DC (постоянный ток), с учетом того, какой ток необходимо измерить.
  • Разрывается соединение электроцепи с источником, отсоединяется от него проволока. Необходимо отметить, какой вход будет соответствовать плюсу, а какой — минусу.
  • Помещаются зонды устройства на входы источника тока. Когда в приборе источник постоянного тока, важно не перепутать положительный и отрицательный входы.
  • Снимаются показания устройства.
  • Когда первый показатель очень мал, уменьшается диапазон устройства для увеличения точности. В целях наилучшей сохранности приспособления нужно использовать наименьший диапазон, который достаточен для корректных замеров.
Использование приборов

Меры безопасности

Перед использованием амперметра или вольтметра крайне важно ознакомиться с правилами безопасной эксплуатации рассматриваемых устройств. Основные меры безопасности при работе с техникой:

  • До начала работ требуется проверить целостность изоляционного материала на проводах, который бывает нарушен вследствие длительного использования. В подобных ситуациях крайне велик риск удара электротоком.
  • Нужно не забывать, что работы производятся с электричеством, потому предпринимаются все необходимые меры, чтобы избежать повреждения и удар током. В этих целях необходимо проводить работы в сухом месте, не допускать проникновения влаги на электроцепь и измерительное устройство.
  • Запрещается подсоединять измерительный прибор к основной электросети в жилище, к примеру, к контактам распределительного щита.
  • До работ нужно удостовериться, какой тип электроцепи измеряется (переменный либо постоянный ток), так как это определяет, куда подключается положительный и отрицательный провода аппарата. Когда ток постоянный, в обязательном порядке подключается плюс к плюсу и минус к минусу. Когда же пользователь работает с переменным током, порядок подсоединения не будет играть роли.
  • Во время измерений прибор будет замыкать электроцепь, ток течет через него. Чтобы получить правильные замеры, нужно удостовериться в том, что каждый контакт правильно подключен.
  • Чтобы избежать удара током, необходимо воспользоваться зондами, которые заключены в оболочку из резины.
  • При поражении током, потерпевшему требуется оказать неотложную помощь. Потому, проводить измерения рекомендовано с напарником, который способен подстраховать при возникновении нештатной ситуации.

Для измерения силы тока в электроцепи используются устройства, которые называют амперметры. Они подключаются в электроцепь по последовательной схеме. Когда требуется измерить напряжение, то применяется вольтметр. Крайне важно при использовании рассматриваемых устройств соблюдать правила безопасности.

3. Воздействие вольтметра на измеряемую цепь | 7. Измерительные приборы | Часть1

3. Воздействие вольтметра на измеряемую цепь

Воздействие вольтметра на измеряемую цепь

Любой измерительный прибор в некоторой степени влияет на измеряемую цепь. Это влияние аналогично воздействию манометра на давление в шинах, при измерении  которого незначительная часть воздуха высвобождается. Несмотря на то, что такое влияние неизбежно, оно может быть минимизировано грамотной конструкцией измерительного прибора.

Так как вольтметр всегда подсоединяется параллельно компоненту или группе компонентов измеряемой схемы, любой проходящий через него ток будет оказывать влияние на общий ток этой схемы, а значит и на измеряемое напряжение. Не “забирает” ток от тестируемой цепи только идеальный вольтметр, потому что он имеет бесконечное сопротивление. Однако, идеальные вольтметры существуют только на страницах учебников, в реальной жизни их нет. Давайте возьмем следующую схему делителя напряжения, и на ее примере рассмотрим влияние вольтметра на измеряемую цепь:

 

 

Пока вольтметр не подключен к данной цепи, напряжение на каждом из резисторов составляет 12 вольт (два резистора одинаковой величины делят исходное напряжение ровно пополам). Ели мы подключим вольтметр с внутренним сопротивлением 10 МОм (стандартная величина современных цифровых вольтметров) к нижнему резистору схемы, то создадим своего рода параллельное соединение двух сопротивлений:

 

 

Это действие понизит сопротивление нижнего эквивалентного резистора (параллельно соединенные сопротивления 250 и 10 МОм) до 9,615 МОм, что кардинальным образом изменит распределение напряжений в схеме. На нижнем резисторе напряжение теперь будет гораздо меньше чем прежде, а на верхнем – гораздо больше:

 

 

Делитель напряжения с сопротивлениями резисторов 250 и 9,615 МОм разделит напряжение источника питания 24В на две части – 23,1111 и 0,8889 вольт соответственно. Так как вольтметр является частью сопротивления 9,615 МОм, его индикатор покажет напряжение 0,8889 вольт.

Вольтметр не может “знать”, что до его подключения к цепи напряжение на нижнем резисторе (сопротивлением 250 МОм) имело величину 12 вольт. Сам факт подключения вольтметра к схеме делает его частью этой схемы, а значит собственное сопротивление вольтметра изменяет соотношение сопротивлений делителя, влияя тем самым на измеряемое напряжение.

Если провести аналогию последнего примера с измерением давления в шинах, то то манометру для работы потребуется такое количество воздуха, что в процессе измерения он практически весь выйдет наружу. Количество воздуха, потребляемого манометром при измерении давления в шинах аналогично количеству тока, потребляемого вольтметром при измерении напряжения. Чем меньше воздуха требует манометр для своей работы, тем меньше он будет сдувать шины в процессе измерения. Чем меньше тока для свое работы требует вольтметр, тем меньшую нагрузку он оказывает на тестируемую цепь.

Такой эффект называется нагрузочным, и он в определенной степени присутствует в каждом случае использования вольтметра, заставляя его отображать напряжение меньше истинного. Выше нами был рассмотрен наихудший сценарий, в котором сопротивление вольтметра значительно ниже сопротивлений резисторов делителя. Очевидно, чем больше сопротивление вольтметра, тем меньше нагрузка на тестируемую цепь. Именно поэтому идеальный вольтметр имеет бесконечное внутреннее сопротивление.

Для вольтметров с электромеханическими индикаторами количественное влияние нагрузочного эффекта на измеряемую цепь выражается через их чувствительность, которая оценивается в “омах на вольт” (Ом/В). Это делается потому, что такие вольтметры для разных диапазонов измерения используют разные резисторы, благодаря чему их внутренне сопротивление будет изменяться в зависимости от диапазона. Цифровые вольтметры, в отличие от электромеханических, вне зависимости от диапазона измерения имеют постоянное сопротивление (но не всегда), поэтому влияние нагрузочного эффекта на измеряемую цепь для них выражается через внутреннее сопротивление, которое оценивается в Омах.

Чувствительность вольтметра  ( Ом / В) показывает величину множителя, на который нужно умножить сопротивление резистора, чтобы увеличить шкалу измерителя на 1 В. В качестве примера давайте возьмем схему вольтметра из предыдущей статьи:

 

 

Для диапазона измерения 1000 В, общее внутреннее сопротивление этого вольтметра будет равно 1 МОм (999,5 кОм + 500 Ом), что даст нам чувствительность 1000000 Ом на 1000 вольт или 1000 Ом на вольт (1кОм/В). Эта чувствительность будет постоянной для любого диапазона данного прибора:

 

 

Проницательный наблюдатель заметит, что чувствительность (Ом/В) любого индикатора определяется единственным фактором – его номинальным (предельным) током, который в нашем случае составляет 1 мА. К такому выводу можно прийти, если учесть следующее: величина “Ом/В” математически обратна величине “В/Ом”, которая по закону Ома представляет собой силу тока (I = U/R). Отсюда следует, что номинальный ток индикатора, определяющий его чувствительность, не зависит диапазонов измерений, которыми оснащен вольтметр посредством добавочных резисторов. В нашем случае номинальный ток индикатора величиной 1 мА дает вольтметру чувствительность 1000 Ом/В в независимости от выбранного диапазона измерений.

Чтобы свести к минимуму нагрузку вольтметра на любую тестируемую схему, нужно минимизировать номинальный ток индикатора. Для достижения этой цели можно заменить индикатор на более чувствительный (которому требуется меньше тока для полного отклонения стрелки), но такой компромисс повлечет за собой потерю прочности, так как более чувствительный индикатор будет более хрупким.

Другой подход к решению данной проблемы заключается в использовании специальной схемы, которая увеличит подаваемый на индикатор ток, снизив при этом ток, потребляемый прибором от схемы в процессе измерения. Такая схема называется усилителем постоянного тока:

 

 

Конструкция усилителя достаточно сложна для рассмотрения на данном этапе, поэтому достаточно будет сказать, что его схема позволяет измеряемому напряжению контролировать количество тока,  поставляемого на индикатор от внутреннего источника питания (например батареи). Таким образом, потребность индикатора в токе удовлетворяется за чет внутренней батареи вольтметра,  а не за счет тестируемой цепи. Вольтметр, использующий усилитель постоянного тока, по прежнему будет нагружать схему в процессе измерения, но эта нагрузка будет в сотни или тысячи раз меньше, чем у вольтметра без усилителя. 

До появления полупроводниковых приборов, известных как полевые транзисторы, в качестве усилительных устройств этих приборов использовались электронные лампы. Такие ламповые вольтметры когда то были очень популярными инструментами для проведения измерений и тестирования схем.

 

 

В настоящее время задачу усиления тока в цифровых измерительных приборах выполняют схемы на полупроводниковых транзисторах. Несмотря на то, что такая конструкция (использование усилителя для повышения измеряемого тока) очень хорошо работает, она значительно усложняет прибор и делает непонятной его работу для начинающих радиолюбителей.

Простым и гениальным решением проблемы нагрузочного эффекта, создаваемого вольтметром, является использование потенциометрического инструмента или инструмента нулевого баланса. Этот метод не требует продвинутых электронных схем и чувствительных устройств, таких как транзисторы или электронные лампы, но он предполагает активное участие и мастерство пользователя. Принцип работы потенциометрического инструмента состоит в следующем. Берется отдельный источник питания с регулируемым напряжением и через детектор “нуля” подключается к тем точкам цепи, где нужно измерить напряжение. После этого напряжение регулируемого источника настраивается на измеряемое напряжение, равенство которых покажет детектор “нуля”. В некоторых схемах, для регулировки напряжения используется прецизионный потенциометр, поэтому их и назвали потенциометрическими инструментами. Если эти два напряжения будут равны, то вольтметр в процессе измерения будет потреблять нулевой ток от тестируемой цепи, не оказывая на нее никакого влияния. Давайте рассмотрим как все это работает на примере вышеупомянутой схемы делителя напряжения:

 

 

Детектор “нуля” представляет собой чувствительное устройство, способное регистрировать наличие очень малых напряжений. Если в качестве такого детектора используется электромеханический индикатор, то он должен быть чувствительным к полярности (его стрелка должна находиться в центре шкалы, и в зависимости от полярности напряжения отклоняться в ту или иную сторону). Поскольку целью детектора является указание на состояние нулевого напряжения, разметка шкалы его индикатора не имеет особого значения. 

Самый простой детектор “нуля” можно построить на базе обычных наушников, динамики которых будут выступать в роли своеобразного индикатора. В момент подачи на наушники напряжения, поток электронов переместит диффузоры динамиков и вы услышите в них щелчок. Еще один щелчок вы услышите при отключении источника напряжения. Таким образом, детектор “нуля” можно сделать из наушников и кнопочного переключателя:

 

 

Если для этой цели использовать наушники сопротивлением 8 Ом, то их чувствительность может быть увеличена при помощи трансформатора. В основе работы трансформатора лежит принцип электромагнетизма, который преобразует уровни пульсирующих напряжений и токов. В нашем случае можно применить понижающий трансформатор, который преобразует импульсы небольшого тока (созданные путем нажатия и отжатия кнопочного переключателя) в более высокие, что обеспечит более эффективное управление диффузорами наушников. Трансформатор с соотношением сопротивлений 1000 : 8 идеально подойдет для этой цели. Помимо прочего, трансформатор накапливает энергию слаботочного сигнала в своем  магнитном поле, чтобы потом, при нажатии кнопки, выбросить ее в динамики наушников, повышая тем самым чувствительность детектора. Таким образом, использование трансформатора делает щечки громче, что позволяет обнаружить слабые сигналы:

 

 

Ниже приведена схема, в которой в качестве детектора “нуля” выступают наушники, трансформатор и кнопочный переключатель:

 

 

Детектор “нуля” работает подобно лабораторным весам, он показывает только равенство двух напряжений (его отсутствие между точками 1 и 2), и ничего больше. Лабораторные весы показывают равенство между неизвестной массой и кучей стандартных (калиброванных) масс:

 

 

Детектор покажет равенство напряжений между точками 1 и 2 в том случае, если напряжение регулируемого источника питания будет равно напряжению на резисторе R2 (смотри второй закон Кирхгофа ). 

Для работы с потенциометрическим инструментом необходимо таким образом настроить регулируемый источник питания, чтобы индикатор детектора “нуля” показал нулевое значение (при использовании наушников нужно добиться прекращения щелчков путем многократных нажатий на кнопочный переключатель). Только после этого можно зафиксировать значение измеренного вольтметром напряжения:

 

 

При использовании потенциометрического инструмента вольтметру не нужен высокочувствительный индикатор, потому что он измеряет напряжение не в схеме, а на регулируемом источнике питания, напряжение которого приравнивается к измеряемому с помощью детектора “нуля”. Весь необходимый для работы вольтметра ток поставляется все тем же регулируемым источником питания. Так как напряжение на детекторе “нуля” в этом случае будет нулевое, то и ток между точками 1 и 2 будет равен нулю, а это значит, что нагрузки на схему в процессе измерения практически не будет. 

Еще раз повторимся, что этот метод, выполненный надлежащим образом, создаст почти нулевую нагрузку на измеряемую цепь. В идеале он вообще не должен нагружать схему, но для достижения такого результата на детекторе “нуля” должно быть абсолютно нулевое напряжение, которое потребует бесконечно чувствительного индикатора и идеального баланса напряжений. Несмотря на практическую невозможность достижения абсолютно нулевой нагрузки на тестируемую схему, потенциометрические инструменты являются отличным решением для измерения напряжений в высокоомных цепях. В отличие от электронных усилителей тока, которые решают эту проблему с помощью передовых технологий, потенциометрический метод достигает гипотетически идеального результата базируясь только на втором законе Кирхгофа .  

Амперметр и вольтметр в эл.цепи

Автор: admin. Рубрики: Задачи 30 (С4). Опубликовано: Февраль 17th, 2013

Задача, решение которой предложено ниже, была в одном из вариантов в июне 2012 года (она попалась тем, кто сдавал физику в резервный день). Задача на законы последовательного и параллельного соединения.

Одни и те же элементы соединены в электрическую цепь сначала по схеме 1, затем по схеме 2. Сопротивление резистора — R, сопротивление амперметра — 0,01R , сопротивление вольтметра 9R. Найти отношение I2/I1 показаний амперметров в схемах. Внутренним сопротивлением источника и сопротивлением проводов пренебречь.

 Схема 1  Схема 2

Для начала «неидеальный» амперметр, заменим «идеальным» прибором. Идеальный амперметр имеет нулевое сопротивление. И поэтому последовательно с «идеальным» амперметром» ставим резистор, имеющий сопротивление, равное сопротивлению амперметра.

И после этих преобразований, решение задачи сводится к определению  силы тока, протекающего через «идеальный» амперметр. А для этого используем законы последовательного и параллельного соединения.

Для первой схемы — определяем общее сопротивление электрической цепи. И по закону Ома определяем силу тока .

Для второй цепи — раз амперметр с резистором параллельно подключены к вольтметру, то напряжение на этих участках цени равно напряжению источника тока. Зная общее сопротивление ветви, состоящей из амперметра и резистора, опять с помощью закона Ома, определяем силу тока во втором случае.

Зная показания амперметра в первом и втором случае, отвечаем на поставленный в задаче вопрос.

Вы можете оставить комментарий, или поставить трэкбек со своего сайта.

Написать комментарий

Вольтметры переменного тока – CoderLessons.com

Прибор, который используется для измерения напряжения переменного тока в любых двух точках электрической цепи, называется вольтметром переменного тока . Если вольтметр переменного тока состоит из выпрямителя, то он называется вольтметром переменного тока на основе выпрямителя.

Вольтметр постоянного тока измеряет только напряжение постоянного тока. Если мы хотим использовать его для измерения напряжения переменного тока, мы должны выполнить следующие два шага.

  • Шаг 1 — Преобразование сигнала напряжения переменного тока в сигнал напряжения постоянного тока с помощью выпрямителя.

  • Шаг 2 — Измерьте постоянное или среднее значение выходного сигнала выпрямителя.

Шаг 1 — Преобразование сигнала напряжения переменного тока в сигнал напряжения постоянного тока с помощью выпрямителя.

Шаг 2 — Измерьте постоянное или среднее значение выходного сигнала выпрямителя.

Мы получаем вольтметр переменного тока на основе выпрямителя, просто включив схему выпрямителя в основной вольтметр постоянного тока. Эта глава посвящена выпрямительным вольтметрам переменного тока.

Типы вольтметров переменного тока на основе выпрямителя

Ниже приведены два типа вольтметров переменного тока на основе выпрямителя.

  • Вольтметр переменного тока с использованием полуволнового выпрямителя
  • Вольтметр переменного тока с использованием двухполупериодного выпрямителя

Теперь давайте поговорим об этих двух вольтметрах переменного тока один за другим.

Вольтметр переменного тока с использованием полуволнового выпрямителя

Если полуволновой выпрямитель подключен впереди вольтметра постоянного тока, то вся эта комбинация вместе называется вольтметром переменного тока с использованием полуволнового выпрямителя. Блок-схема вольтметра переменного тока с использованием полуволнового выпрямителя показана на рисунке ниже.

Приведенная блок-схема состоит из двух блоков: полуволнового выпрямителя и вольтметра постоянного тока. Мы получим соответствующую принципиальную схему, просто заменив каждый блок соответствующими компонентами на приведенной выше блок-схеме. Итак, принципиальная схема вольтметра переменного тока с использованием полуволнового выпрямителя будет выглядеть так, как показано на рисунке ниже.

Среднеквадратичное значение синусоидального (переменного) сигнала входного напряжения

Vэфф= гидроразрываVт SQRT2

 RightarrowVm= sqrt2Vrms

 RightarrowVm=1.414Vrms

Куда,

Vm — максимальное значение синусоидального (переменного) сигнала входного напряжения.

DC или среднее значение выходного сигнала полуволнового выпрямителя

Vпостоянноготока= гидроразрываVт р

Подставим значение Vm в приведенном выше уравнении.

Vdc= frac1.414Vrms pi

Vdc=0,45Vrms

Следовательно, вольтметр переменного тока выдает выходное напряжение, которое в 0,45 раза превышает среднеквадратичное значение синусоидального (переменного тока) сигнала входного напряжения.

Вольтметр переменного тока с использованием двухполупериодного выпрямителя

Если двухполупериодный выпрямитель подключен впереди вольтметра постоянного тока, то вся эта комбинация вместе называется вольтметром переменного тока, использующим двухполупериодный выпрямитель. Блок-схема вольтметра переменного тока с использованием двухполупериодного выпрямителя показана на рисунке ниже.

Приведенная блок-схема состоит из двух блоков: двухполупериодного выпрямителя и вольтметра постоянного тока. Мы получим соответствующую принципиальную схему, просто заменив каждый блок соответствующими компонентами на приведенной выше блок-схеме.

Итак, принципиальная схема вольтметра переменного тока с использованием двухполупериодного выпрямителя будет выглядеть так, как показано на рисунке ниже.

Среднеквадратичное значение синусоидального (переменного) сигнала входного напряжения

Vэфф= гидроразрываVт SQRT2

 RightarrowVm= sqrt2Vrms

 RightarrowVm=1.414Vrms

Куда,

Vm — максимальное значение синусоидального (переменного) сигнала входного напряжения.

Постоянное или среднее значение выходного сигнала двухполупериодного выпрямителя

Vпостоянноготока= гидроразрыва2Vт р

Подставим значение Vm в приведенном выше уравнении

Vdc= frac2 times1.414Vrms pi

Vdc=0,9Vrms

Следовательно, вольтметр переменного тока выдает выходное напряжение, которое в 0,9 раза превышает среднеквадратичное значение синусоидального (переменного тока) сигнала входного напряжения.

Конструкция вольтметра

Добавлено 4 апреля 2021 в 13:49

Сохранить или поделиться

Как было сказано ранее, большинство измерительных механизмов являются чувствительными устройствами. Некоторые механизмы Д’Арсонваля имеют номинальный ток отклонения на полную шкалу всего 50 мкА при (внутреннем) сопротивлении провода менее 1000 Ом. Это делает возможным создание вольтметра со значением полной шкалы всего 50 милливольт (50 мкА х 1000 Ом)! Чтобы сконструировать вольтметр с практически применимыми размерами шкал (более высокими напряжениями) на основе таких чувствительных измерительных механизмов, нам нужно найти способ уменьшить измеряемую величину напряжения до уровня, с которым может работать механизм.

Измерительный механизм Д’Арсонваля

Давайте начнем наш пример с задачи с измерительным механизмом Д’Арсонваля, имеющим номинальное значение 1 мА для отклонения стрелки на полную шкалу и сопротивление катушки 500 Ом:

Рисунок 1 – Измерительный механизм Д’Арсонваля

Используя закон Ома (E = IR), мы можем определить, какое напряжение приведет к отклонению стрелки этого измерительного механизма на полную шкалу:

E = IR

E = (1 мА) (500 Ом) = 0,5 В

Если бы всё, что нам было нужно, это измерительный прибор, который мог бы измерять 1/2 вольта, то простого измерительного механизма, который у нас есть здесь, было бы достаточно. Но для измерения более высоких уровней напряжения необходимо нечто большее. Чтобы получить эффективный диапазон напряжений вольтметра, превышающий 1/2 вольта, нам необходимо разработать схему, подающую на измерительный механизм только точную долю измеряемого напряжения.

Это расширит диапазон измерительного механизма до более высоких напряжений. Соответственно, нам нужно будет перемаркировать шкалу на лицевой стороне индикатора, чтобы указать его новый диапазон измерений с подключенной схемой деления.

Но как создать необходимую схему деления? Что ж, если мы намерены позволить этому измерительному механизму измерять большее напряжение, чем сейчас, нам нужна схема делителя напряжения, чтобы пропорционально разделить общее измеряемое напряжение и подать на измерительный механизм меньшее значение. Зная, что схемы делителей напряжения строятся из последовательных сопротивлений, мы подключим резистор последовательно с измерительным механизмом (используя собственное внутреннее сопротивление механизма в качестве второго сопротивления в делителе):

Рисунок 2 – Измерительный механизм Д’Арсонваля с использованием делителя напряжения

Умножающие резисторы

Последовательный резистор называется «умножающим» резистором, потому что он умножает рабочий диапазон измерительного механизма, когда пропорционально делит измеряемое напряжение. Определение необходимого значения умножающего сопротивления будет для вас простой задачей, если вы знакомы с анализом последовательных цепей.

Например, давайте определим необходимое значение «умножающего» резистора, чтобы значение полной шкалы этого измерительного механизма (1 мА, 500 Ом) составляло 10 вольт. Для этого нам сначала нужно нарисовать таблицу E/I/R для двух последовательных компонентов:

Рисунок 3 – Таблица анализа цепи

Мы знаем, что стрелка измерительного механизма отклоняется на полную шкалу при проходящем через него токе 1 мА, и мы хотим, чтобы это происходило при прикладывании (к всей последовательной цепи) напряжения 10 В, мы можем заполнить таблицу следующим образом:

Рисунок 4 – Таблица анализа цепи. Шаг 1. Исходные данные

Для определения значения умножающего сопротивления есть несколько способов. Один из способов – определить полное сопротивление цепи, используя закон Ома в столбце «Общее» (R=E/I), а затем вычесть из него 500 Ом измерительного механизма, чтобы получить значение умножающего сопротивления:

Рисунок 5 – Таблица анализа цепи. Шаг 2. Определение значения умножающего сопротивления

Другой способ рассчитать это же значение сопротивления – это определить падение напряжения на измерительном механизме при отклонении стрелки на полную шкалу (E =IR), а затем вычесть это падение напряжения из общего значения, чтобы получить напряжение на умножающем резисторе. И, наконец, можно снова использовать закон Ома для определения сопротивления (R=E/I) для умножающего сопротивления:

Рисунок 6 – Таблица анализа цепи. Способ 2

Оба способа дают один и тот же ответ (9,5 кОм), и один метод может использоваться в качестве проверки другого, чтобы проверить точность расчета.

Рисунок 7 – Полученная схема вольтметра для максимального напряжения 10 вольт

При подаче ровно 10 вольт между измерительными щупами измерительного прибора (от какой-либо батареи или прецизионного источника питания) через измерительный механизм будет проходить ток ровно 1 мА, который ограничивается «умножающим» резистором и собственным внутренним сопротивлением механизма. На сопротивлении проволочной катушки измерительного механизма будет падать ровно 1/2 вольта, и стрелка будет указывать точно на значение полной шкалы. Если изменить маркировку шкалы так, чтобы показания на ней были от 0 до 10 В (вместо от 0 до 1 мА), любой, кто смотрит на шкалу, интерпретирует ее показание как десять вольт.

Обратите внимание, что пользователю измерительного прибора совсем не обязательно знать, что сам механизм фактически измеряет лишь часть этих десяти вольт от внешнего источника. Всё, что имеет значение для пользователя, – это то, что схема в целом работает для точного отображения общего приложенного напряжения.

Вот как конструируются и используются реальные электроизмерительные приборы: чувствительный измерительный механизм сконструирован так, чтобы работать с минимальными напряжением и током, насколько это возможно для максимальной чувствительности, затем его «обманывают» какой-то схемой делителя, построенной из прецизионных резисторов так, чтобы он показывал значение полной шкалы, когда на схему в целом воздействует гораздо большее напряжение или ток. Здесь мы рассмотрели конструкцию простого вольтметра. Амперметры следуют тому же общему правилу, за исключением того, что параллельно включенные «шунтирующие» резисторы используются для создания схемы делителя тока, в отличие от последовательно включенных «умножающих» резисторов делителя напряжения, используемых в конструкциях вольтметров.

Как правило, для такого электромеханического измерительного прибора полезно иметь несколько диапазонов, чтобы он мог измерять широкий диапазон напряжений с помощью одного измерительного механизма. Это достигается за счет использования многопозиционного переключателя и нескольких умножающих резисторов, каждый из которых рассчитан на определенный диапазон напряжений:

Рисунок 8 – Многодиапазонный вольтметр

Пятипозиционный переключатель одновременно устанавливает контакт только с одним резистором. В нижнем (полностью по часовой стрелке) положении он вообще не контактирует ни с одним резистором, обеспечивая положение «выключено». Сопротивление каждого резистора подбирается таким образом, чтобы обеспечить для вольтметра определенный полный диапазон, всё в зависимости от конкретного номинала измерительного механизма (1 мА, 500 Ом). Конечным результатом является вольтметр с четырьмя различными диапазонами измерения. Конечно, для того, чтобы он работал правильно, шкала измерительного механизма должна быть снабжена метками, соответствующими каждому диапазону.

В такой конструкции измерительного прибора значение каждого резистора определяется одним и тем же методом с использованием известного максимального напряжения, значения измерительного механизма для отклонения стрелки на полную шкалу и сопротивления измерительного механизма. Для вольтметра с диапазонами 1 вольт, 10 вольт, 100 вольт и 1000 вольт умножающие сопротивления будут следующими:

Рисунок 9 – Пример умножающих сопротивлений

Обратите внимание на значения умножающих резисторов, используемые для этих диапазонов, и насколько они странные. Очень маловероятно, что когда-либо найдется прецизионный резистор 999,5 кОм, поэтому разработчики вольтметров часто выбирают вариант приведенной выше конструкции, который использует более распространенные значения резисторов:

Рисунок 10 – Пример умножающих сопротивлений

С каждым последовательно повышающимся диапазоном напряжений переключатель приводит в действие всё больше умножающих резисторов, в результате чего их последовательные сопротивления складываются до необходимой суммы. Например, если переключатель диапазона установлен в положение 1000 вольт, нам потребуется общее умножающее сопротивление 999,5 кОм. Благодаря этой конструкции измерительного прибора мы получим:

Rобщ = R4 + R3 + R2 + R1

Rобщ = 900 кОм + 90 кОм + 9 кОм + 500 Ом = 999,5 кОм

Преимущество, конечно же, состоит в том, что номиналы отдельных умножающих резисторов встречаются чаще (900 кОм, 90 кОм, 9 кОм), чем некоторые из странных значений в первой схеме (999,5 кОм, 99,5 кОм, 9,5 кОм). Однако с точки зрения пользователя измерительного прибора заметной разницы в работе не будет.

Резюме

  • Расширенные диапазоны измерения напряжения в вольтметрах создаются путем добавления к чувствительному измерительному механизму последовательных «умножающих» резисторов, обеспечивающих точный коэффициент деления напряжения.

Оригинал статьи:

Теги

ВольтметрДля начинающихИзмерениеИзмерительная техникаОбучениеСхемотехникаЭлектрическое напряжение

Сохранить или поделиться

открытых учебников | Сиявула

Математика

Наука

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • класс 7А

        • Марка 7Б

        • Класс 7 (комбинированные A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 7А

        • Граад 7Б

        • Граад 7 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • класс 8A

        • марка 8Б

        • Оценка 8 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 8А

        • Граад 8Б

        • Граад 8 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • марка 9А

        • Марка 9Б

        • Оценка 9 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 9А

        • Граад 9Б

        • Граад 9 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • класс 4А

        • класс 4Б

        • Класс 4 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 4А

        • Граад 4Б

        • Граад 4 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Марка 5А

        • Марка 5Б

        • Оценка 5 (комбинированные A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 5А

        • Граад 5Б

        • Граад 5 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • класс 6А

        • класс 6Б

        • Класс 6 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 6А

        • Граад 6Б

        • Граад 6 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

Наша книга лицензионная

Эти книги не просто бесплатные, они также имеют открытую лицензию! Один и тот же контент, но разные версии (брендированные или нет) имеют разные лицензии, как объяснено:

CC-BY-ND (фирменные версии)

Вам разрешается и поощряется свободное копирование этих версий. Вы можете делать ксерокопии, распечатывать и распространять их сколь угодно часто. Вы можете скачать их на свой мобильный телефон, iPad, ПК или флешку. Вы можете записать их на компакт-диск, отправить по электронной почте или загрузить на свой веб-сайт. Единственным ограничением является то, что вы не можете адаптировать или изменять эти версии учебников, их содержание или обложки каким-либо образом, поскольку они содержат соответствующие бренды Siyavula, спонсорские логотипы и одобрены Департаментом базового образования. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution-NoDerivs 3.0 Непортированный.

Узнайте больше о спонсорстве и партнерстве с другими, которые сделали возможным выпуск каждого из открытых учебников.

CC-BY (безымянные версии)

Эти небрендированные версии одного и того же контента доступны для вас, чтобы вы могли делиться ими, адаптировать, трансформировать, модифицировать или дополнять их любым способом, с единственным требованием – дать соответствующую оценку Siyavula. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

21.4 Вольтметры и амперметры постоянного тока – Физика колледжа, главы 1-17

Сводка

  • Объясните, почему вольтметр нужно подключать параллельно цепи.
  • Нарисуйте схему, показывающую правильно подключенный амперметр в цепь.
  • Опишите, как гальванометр можно использовать как вольтметр или амперметр.
  • Найдите сопротивление, которое необходимо подключить последовательно с гальванометром, чтобы его можно было использовать в качестве вольтметра с заданными показаниями.
  • Объясните, почему измерение напряжения или тока в цепи никогда не может быть точным.

Вольтметры измеряют напряжение, а амперметры измеряют ток. Некоторые измерители в автомобильных приборных панелях, цифровых камерах, сотовых телефонах и тюнерах-усилителях являются вольтметрами или амперметрами. (См. Рис. 1.) Внутренняя конструкция простейшего из этих счетчиков и то, как они подключены к системе, которую они контролируют, позволяют лучше понять применение последовательного и параллельного подключения.

Рисунок 1. Датчики топлива и температуры (крайний правый и крайний левый, соответственно) в этом Volkswagen 1996 года представляют собой вольтметры, которые регистрируют выходное напряжение «передающих» устройств, которое, как мы надеемся, пропорционально количеству бензина в баке и температура двигателя.(Фото: Christian Giersing)

Вольтметры подключаются параллельно к любому устройству, которое необходимо измерить. Параллельное соединение используется потому, что объекты, находящиеся параллельно, испытывают одинаковую разность потенциалов. (См. Рисунок 2, где вольтметр обозначен символом V.)

Амперметры подключаются последовательно к любому измеряемому устройству. Последовательное соединение используется потому, что последовательно соединенные объекты имеют одинаковый ток, проходящий через них. (См. Рисунок 3, где амперметр обозначен символом A.)

Рис. 2. (a) Для измерения разности потенциалов в этой последовательной цепи вольтметр (V) помещают параллельно источнику напряжения или одному из резисторов. Обратите внимание, что напряжение на клеммах измеряется между точками a и b. Невозможно подключить вольтметр напрямую к ЭДС без учета его внутреннего сопротивления, r . (b) Используемый цифровой вольтметр. (кредит: Messtechniker, Wikimedia Commons) Рис. 3. Амперметр (A) включен последовательно для измерения тока.Весь ток в этой цепи протекает через счетчик. Амперметр будет иметь такие же показания, если он расположен между точками d и e или между точками f и a, как и в показанном положении. (Обратите внимание, что заглавная буква E обозначает ЭДС, а r обозначает внутреннее сопротивление источника разности потенциалов.)

Аналоговые счетчики имеют стрелку, которая поворачивается, чтобы указывать на числа на шкале, в отличие от цифровых счетчиков , которые имеют числовые показания, подобные портативному калькулятору. Сердцем большинства аналоговых счетчиков является устройство, называемое гальванометром , обозначенное буквой G. Ток, протекающий через гальванометр, [латекс] \ boldsymbol {I _ {\ textbf {G}}} [/ latex], производит пропорциональное отклонение стрелки. . (Это отклонение происходит из-за силы магнитного поля на провод с током.)

Двумя важнейшими характеристиками данного гальванометра являются его сопротивление и чувствительность по току. Чувствительность по току – это ток, который дает полное отклонение стрелки гальванометра на , максимальный ток, который может измерить прибор.Например, гальванометр с текущей чувствительностью [латекс] \ boldsymbol {50 \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex] имеет максимальное отклонение стрелки, когда [латекс] \ boldsymbol {50 \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex] проходит через него, считывает половину шкалы, когда [latex] \ boldsymbol {25 \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex] проходит через него, и так далее.

Если такой гальванометр имеет сопротивление [латекс] \ boldsymbol {25 – \; \ Omega} [/ latex], то напряжение только [латекс] \ boldsymbol {V = IR = (50 \; \ mu \ textbf { A}) (25 \; \ Omega) = 1.25 \; \ textbf {mV}} [/ latex] производит показание полной шкалы. Подключив резисторы к этому гальванометру различными способами, вы можете использовать его как вольтметр или амперметр, который может измерять широкий диапазон напряжений или токов.

Гальванометр как вольтметр

На рисунке 4 показано, как гальванометр можно использовать в качестве вольтметра, подключив его последовательно с большим сопротивлением, [латекс] \ boldsymbol {R} [/ латекс]. Значение сопротивления [латекс] \ boldsymbol {R} [/ латекс] определяется максимальным измеряемым напряжением.Предположим, вам нужно 10 В для полного отклонения вольтметра, содержащего [латексный] \ boldsymbol {25 – \; \ Omega} [/ latex] гальванометр с [латексным] \ boldsymbol {50 – \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex] чувствительность. Затем 10 В, приложенное к измерителю, должно производить ток [латекс] \ boldsymbol {50 \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex]. Общее сопротивление должно быть

[латекс] \ boldsymbol {R _ {\ textbf {tot}} = R + r =} [/ latex] [latex] \ boldsymbol {\ frac {V} {I}} [/ latex] [latex] \ boldsymbol { =} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {10 \; \ textbf {V}} {50 \; \ mu \ textbf {A}}} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {= 200 \ ; \ textbf {k} \ Omega \; \ textbf {или}} [/ latex]

[латекс] \ boldsymbol {R = R _ {\ textbf {tot}} – r = 200 \; \ textbf {k} \ Omega – 25 \; \ Omega \ приблизительно 200 \; \ textbf {k} \ Omega} [ / латекс]

([латекс] \ boldsymbol {R} [/ latex] настолько велик, что сопротивление гальванометра, [латекс] \ boldsymbol {r} [/ latex], почти ничтожно.) Обратите внимание, что 5 В, приложенное к этому вольтметру, вызывает отклонение в половину шкалы, создавая ток [латекс] \ boldsymbol {25 – \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex] через измеритель, и поэтому показания вольтметра пропорционально напряжению по желанию.

Этот вольтметр не годится для напряжений менее примерно половины вольта, потому что отклонение измерителя будет небольшим и его трудно будет точно прочитать. Для других диапазонов напряжения другие сопротивления устанавливаются последовательно с гальванометром. У многих метров есть выбор шкалы.Этот выбор включает последовательное включение соответствующего сопротивления с гальванометром.

Рисунок 4. Большое сопротивление R , включенное последовательно с гальванометром G, дает вольтметр, отклонение которого на полную шкалу зависит от выбора R . Чем больше измеряемое напряжение, тем больше должно быть R . (Обратите внимание, что r представляет внутреннее сопротивление гальванометра.)

Гальванометр как амперметр

Тот же гальванометр можно превратить в амперметр, разместив его параллельно небольшому сопротивлению [латекс] \ boldsymbol {R} [/ latex], которое часто называют шунтирующим сопротивлением , как показано на рисунке 5. Поскольку шунт сопротивление невелико, большая часть тока проходит через него, что позволяет амперметру измерять токи, намного превышающие те, которые вызывают полное отклонение гальванометра.

Предположим, например, что необходим амперметр, который дает полное отклонение на 1.0 A, и содержит такой же гальванометр [latex] \ boldsymbol {25 – \; \ Omega} [/ latex] с его чувствительностью [latex] \ boldsymbol {50 – \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex] . Поскольку [latex] \ boldsymbol {R} [/ latex] и [latex] \ boldsymbol {r} [/ latex] параллельны, напряжение на них одинаковое.

Эти [латекс] \ boldsymbol {IR} [/ latex] капли – это [latex] \ boldsymbol {IR = I_Gr} [/ latex], так что [latex] \ boldsymbol {IR = \ frac {I_G} {I} = \ frac {R} {r}} [/ latex]. Решая для [latex] \ boldsymbol {R} [/ latex] и отмечая, что [latex] \ boldsymbol {I_G} [/ latex] – это [latex] \ boldsymbol {50 \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex] и [latex] \ boldsymbol {I} [/ latex] равно 0.{-3} \; \ Omega}. [/ Латекс]

Рисунок 5. Небольшое шунтирующее сопротивление R , размещенное параллельно гальванометру G, дает амперметр, полное отклонение которого зависит от выбора R . Чем больше измеряемый ток, тем меньше должно быть R . Большая часть тока ( I ), протекающего через счетчик, шунтируется через R для защиты гальванометра.(Обратите внимание, что r представляет внутреннее сопротивление гальванометра.) Амперметры также могут иметь несколько шкал для большей гибкости в применении. Различные масштабы достигаются путем переключения различных шунтирующих сопротивлений параллельно гальванометру – чем больше максимальный измеряемый ток, тем меньше должно быть шунтирующее сопротивление.

Когда вы используете вольтметр или амперметр, вы подключаете другой резистор к существующей цепи и, таким образом, изменяете схему.В идеале вольтметры и амперметры не оказывают заметного влияния на схему, но полезно изучить обстоятельства, при которых они влияют или не влияют.

Сначала рассмотрим вольтметр, который всегда размещается параллельно с измеряемым устройством. Через вольтметр протекает очень небольшой ток, если его сопротивление на несколько порядков больше, чем сопротивление устройства, и поэтому на цепь это не оказывает заметного влияния. (См. Рис. 6 (а).) (Большое сопротивление, параллельное малому, имеет суммарное сопротивление, по существу равное малому.) Если, однако, сопротивление вольтметра сопоставимо с сопротивлением измеряемого устройства, то два параллельно подключенных устройства имеют меньшее сопротивление, что существенно влияет на цепь. (См. Рисунок 6 (b).) Напряжение на устройстве не такое, как при отключении вольтметра от цепи.

Рис. 6. (a) Вольтметр, имеющий сопротивление намного больше, чем устройство ( R Voltmeter >> R ), с которым он подключен параллельно, создает параллельное сопротивление, по существу такое же, как у устройства, и не оказывает заметного влияния измеряемая цепь. (b) Здесь вольтметр имеет такое же сопротивление, как и устройство ( R, Voltmeter, ≅ R ), так что параллельное сопротивление составляет половину от того, которое есть, когда вольтметр не подключен. Это пример значительного изменения схемы, которого следует избегать.

Амперметр подключается последовательно к ветви измеряемой цепи, так что его сопротивление добавляется к этой ветви. Обычно сопротивление амперметра очень мало по сравнению с сопротивлениями устройств в цепи, поэтому дополнительное сопротивление незначительно.(См. Рисунок 7 (a).) Однако, если задействованы очень маленькие сопротивления нагрузки или если сопротивление амперметра не такое низкое, как должно быть, то общее последовательное сопротивление значительно больше, а ток в ветви измеряется уменьшается. (См. Рисунок 7 (b).)

Практическая проблема может возникнуть, если амперметр подключен неправильно. Если его подключить параллельно с резистором для измерения тока в нем, вы можете повредить счетчик; низкое сопротивление амперметра позволит большей части тока в цепи проходить через гальванометр, и этот ток будет больше, поскольку эффективное сопротивление меньше.

Рис. 7. (a) Амперметр обычно имеет такое маленькое сопротивление, что общее последовательное сопротивление в измеряемой ветви существенно не увеличивается. Схема практически не изменилась по сравнению с отсутствием амперметра. (b) Здесь сопротивление амперметра такое же, как и у ветви, так что общее сопротивление удваивается, а сила тока вдвое меньше, чем без амперметра. Этого существенного изменения схемы следует избегать.

Одним из решений проблемы вольтметров и амперметров, мешающих измеряемым цепям, является использование гальванометров с большей чувствительностью.Это позволяет создавать вольтметры с большим сопротивлением и амперметры с меньшим сопротивлением, чем при использовании менее чувствительных гальванометров.

Существуют практические пределы чувствительности гальванометра, но можно получить аналоговые измерители, которые делают измерения с точностью до нескольких процентов. Обратите внимание, что неточность возникает из-за изменения схемы, а не из-за неисправности счетчика.

Связи: границы знаний

Выполнение измерения изменяет измеряемую систему таким образом, что приводит к погрешности измерения.Для макроскопических систем, таких как схемы, обсуждаемые в этом модуле, изменение обычно можно сделать пренебрежимо малым, но полностью исключить его нельзя. Для субмикроскопических систем, таких как атомы, ядра и более мелкие частицы, измерение изменяет систему таким образом, что невозможно сделать сколь угодно малым. Это фактически ограничивает знание системы – даже ограничивает то, что природа может знать о самой себе. Мы увидим глубокие последствия этого, когда принцип неопределенности Гейзенберга будет обсуждаться в модулях по квантовой механике.6} [/ латекс].

Проверьте свое понимание

1: Цифровые измерители способны обнаруживать меньшие токи, чем аналоговые измерители, использующие гальванометры. Как это объясняет их способность измерять напряжение и ток более точно, чем аналоговые измерители?

Исследования PhET: комплект для конструирования цепей (только для постоянного тока), виртуальная лаборатория

Стимулируйте нейрон и следите за тем, что происходит. Сделайте паузу, перемотайте назад и двигайтесь вперед во времени, чтобы наблюдать за перемещением ионов через мембрану нейрона.

Рис. 8. Комплект для конструирования цепей (только для постоянного тока), виртуальная лаборатория
  • Вольтметры измеряют напряжение, а амперметры измеряют ток.
  • Вольтметр устанавливается параллельно источнику напряжения для получения полного напряжения и должен иметь большое сопротивление, чтобы ограничить его влияние на цепь.
  • Амперметр подключается последовательно, чтобы получить полный ток, протекающий через ответвление, и должен иметь небольшое сопротивление, чтобы ограничить его влияние на цепь.
  • Оба могут быть основаны на комбинации резистора и гальванометра, устройства, которое дает аналоговые показания тока.
  • Стандартные вольтметры и амперметры изменяют измеряемую цепь и, таким образом, имеют ограниченную точность.

Концептуальные вопросы

1: Почему не следует подключать амперметр напрямую к источнику напряжения, как показано на рисунке 9? (Обратите внимание, что скрипт E на рисунке означает ЭДС. )

Рис. 9.

2: Предположим, вы используете мультиметр (предназначенный для измерения диапазона напряжений, токов и сопротивлений) для измерения тока в цепи и случайно оставляете его в режиме вольтметра.Как измеритель повлияет на схему? Что бы произошло, если бы вы измеряли напряжение, но случайно перевели измеритель в режим амперметра?

3: Укажите точки, к которым можно подключить вольтметр для измерения следующих разностей потенциалов на Рисунке 10: (a) разность потенциалов источника напряжения; (b) разность потенциалов на [латексе] \ boldsymbol {R_1} [/ latex]; (c) через [латекс] \ boldsymbol {R_2} [/ latex]; (г) поперек [латекса] \ boldsymbol {R_3} [/ latex]; (e) через [латекс] \ boldsymbol {R_2} [/ latex] и [латекс] \ boldsymbol {R_3} [/ latex].Обратите внимание, что на каждую часть может быть несколько ответов.

Рис. 10.

4: Чтобы измерить токи на рис. 10, вы замените провод между двумя точками на амперметр. Укажите точки, между которыми вы разместите амперметр, чтобы измерить следующее: (a) общий ток; (б) ток, протекающий через [латекс] \ boldsymbol {R_1} [/ latex]; (c) через [латекс] \ boldsymbol {R_2} [/ латекс]; (г) через [латекс] \ boldsymbol {R_3} [/ латекс]. Обратите внимание, что на каждую часть может быть несколько ответов.

Проблемные упражнения

1: Какова чувствительность гальванометра (то есть, какой ток дает полное отклонение) внутри вольтметра, имеющего [латексный] \ boldsymbol {1,00 – \; \ textbf {M} \ Omega} [ / латекс] по шкале 30,0 В?

2: Какова чувствительность гальванометра (то есть, какой ток дает полное отклонение) внутри вольтметра, имеющего [латексный] \ boldsymbol {25.0 – \; \ textbf {k} \ Omega} [ / латекс] по шкале 100 В?

3: Найдите сопротивление, которое должно быть подключено последовательно с символом [латекс] \ bold {25.0 – \; \ Omega} [/ latex] гальванометр с чувствительностью [latex] \ boldsymbol {50. 0 – \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex] (такой же, как тот, который обсуждается в тексте), чтобы позволить его следует использовать как вольтметр с показаниями полной шкалы 0,100 В.

4: Найдите сопротивление, которое необходимо подключить последовательно с [латексным] \ boldsymbol {25.0 – \; \ Omega} [/ latex] гальванометром, имеющим [латексный] \ boldsymbol {50.0 – \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex] чувствительность (такая же, как та, что обсуждается в тексте), позволяющая использовать его в качестве вольтметра с показаниями полной шкалы 3000 В.Включите принципиальную схему в свое решение.

5: Найдите сопротивление, которое необходимо разместить параллельно [латексному] \ boldsymbol {25.0 – \; \ Omega} [/ latex] гальванометру с [латексным] \ boldsymbol {50.0 – \; \ textbf {A }} [/ latex] чувствительность (такая же, как та, что обсуждается в тексте), позволяющая использовать его в качестве амперметра с показаниями полной шкалы 10,0 A. Включите принципиальную схему в свое решение.

6: Найдите сопротивление, которое необходимо разместить параллельно символу [латекса] \ bold {25.0 – \; \ Omega} [/ latex] гальванометр с чувствительностью [latex] \ boldsymbol {50.0 – \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex] (такой же, как тот, который обсуждается в тексте), чтобы позволить его следует использовать как амперметр с показаниями полной шкалы 300 мА.

7: Найдите сопротивление, которое необходимо подключить последовательно с [латексным] \ boldsymbol {10.0 – \; \ Omega} [/ latex] гальванометром с [латексным] \ boldsymbol {100 – \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex] чувствительность, позволяющая использовать его в качестве вольтметра при: (а) полномасштабном показании 300 В и (б) 0.Полномасштабное считывание 300 В.

8: Найдите сопротивление, которое необходимо разместить параллельно [латексному] \ boldsymbol {10.0 – \; \ Omega} [/ latex] гальванометру с [латексным] \ boldsymbol {100 – \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex] чувствительность, позволяющая использовать его в качестве амперметра с: (a) показанием полной шкалы 20,0 A и b) показанием полной шкалы 100 мА.

9: Предположим, вы измеряете напряжение на клеммах щелочного элемента на 1,585 В, имеющего внутреннее сопротивление [латекс] \ boldsymbol {0.100 \; \ Omega} [/ latex], поместив вольтметр [latex] \ boldsymbol {1.00 – \; \ textbf {k} \ Omega} [/ latex] на его клеммы. (См. Рис. 11.) (а) Какой ток течет? (b) Найдите напряжение на клеммах. (c) Чтобы увидеть, насколько близко измеренное напряжение на клеммах к ЭДС, рассчитайте их отношение.

Рис. 11.

10: Предположим, вы измеряете напряжение на клеммах литиевого элемента на 3.200 В, имеющего внутреннее сопротивление [латекс] \ boldsymbol {5.00 \; \ Omega} [/ латекс], помещая [латекс] \ boldsymbol {1.{-5} \; \ Omega} [/ latex] по шкале 3,00-A и содержит [латексный] \ boldsymbol {10.0 – \; \ Omega} [/ latex] гальванометр. Какая чувствительность у гальванометра?

12: Вольтметр [латекс] \ boldsymbol {1.00 – \; \ textbf {M} \ Omega} [/ latex] устанавливается параллельно [латексному] \ boldsymbol {75. 0 – \; \ textbf {k} \ Omega} [/ latex] резистор в цепи. (а) Нарисуйте принципиальную схему подключения. б) Каково сопротивление комбинации? (c) Если напряжение на комбинации остается таким же, как и на [латексе] \ boldsymbol {75.0 – \; \ textbf {k} \ Omega} [/ latex] только резистор, каков процент увеличения тока? (d) Если ток через комбинацию остается таким же, как через резистор [latex] \ boldsymbol {75.0 – \; \ textbf {k} \ Omega} [/ latex], каково процентное снижение напряжения ? (e) Являются ли изменения, обнаруженные в частях (c) и (d), значительными? Обсуждать.

13: Амперметр [latex] \ boldsymbol {0,0200 – \; \ Omega} [/ latex] последовательно с резистором [latex] \ boldsymbol {10.00 – \; \ Omega} [/ latex] в цепи схема.(а) Нарисуйте принципиальную схему подключения. (b) Рассчитайте сопротивление комбинации. (c) Если напряжение в комбинации остается таким же, каким оно было через резистор [latex] \ boldsymbol {10.00 – \; \ Omega} [/ latex], каков процент уменьшения тока? (d) Если ток остается таким же, как через резистор [latex] \ boldsymbol {10. 00 – \; \ Omega} [/ latex], то каков процент увеличения напряжения? (e) Являются ли изменения, обнаруженные в частях (c) и (d), значительными? Обсуждать.

14: Необоснованные результаты

Предположим, у вас есть гальванометр [latex] \ boldsymbol {40.0 – \; \ Omega} [/ latex] с чувствительностью [latex] \ boldsymbol {25.0 – \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex]. (a) Какое сопротивление вы бы включили последовательно, чтобы его можно было использовать в качестве вольтметра с полным отклонением на 0,500 мВ? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие допущения ответственны?

15: необоснованные результаты

(a) Какое сопротивление вы бы поставили параллельно с символом [латекс] \ bold {40.0 – \; \ Omega} [/ latex] гальванометр с чувствительностью
[латекс] \ boldsymbol {25.0 – \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex], позволяющий использовать его в качестве амперметра с полное отклонение для [латекса] \ boldsymbol {10.0 – \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex]? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие допущения ответственны?

Глоссарий

вольтметр
прибор для измерения напряжения
амперметр
прибор для измерения силы тока
аналоговый счетчик
Измерительный прибор, дающий показания в виде движения стрелки над отмеченным датчиком
цифровой счетчик
Измерительный прибор, выдающий показания в цифровой форме
гальванометр
аналоговое измерительное устройство, обозначенное буквой G, которое измеряет ток, используя отклонение стрелки, вызванное силой магнитного поля, действующей на токоведущий провод
токовая чувствительность
максимальный ток, который может считывать гальванометр
полный прогиб
максимальное отклонение стрелки гальванометра, также известное как чувствительность по току; гальванометр с полным отклонением [латекс] \ boldsymbol {50 \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex] имеет максимальное отклонение стрелки, когда [латекс] \ boldsymbol {50 \; \ mu \ textbf {A}} [/ latex] проходит через него
шунтирующее сопротивление
малое сопротивление [латекс] \ boldsymbol {R} [/ latex], помещенное параллельно гальванометру G для получения амперметра; чем больше измеряемый ток, тем меньше должен быть [латекс] \ boldsymbol {R} [/ latex]; большая часть тока, протекающего через счетчик, шунтируется через [латекс] \ boldsymbol {R} [/ latex] для защиты гальванометра

Решения

Проверьте свое понимание

1: Поскольку цифровые счетчики требуют меньшего тока, чем аналоговые, они изменяют схему меньше, чем аналоговые счетчики. {-4} \; \ Omega} [/ латекс]

7: (a) [латекс] \ boldsymbol {3.00 \; \ textbf {M} \ Omega} [/ latex]

(b) [латекс] \ boldsymbol {2.99 \; \ textbf {k} \ Omega} [/ латекс]

9: (a) 1,58 мА
(b) 1,5848 В (необходимо четыре цифры, чтобы увидеть разницу)

(c) 0,99990 (нужно пять цифр, чтобы увидеть разницу от единицы)

11: [латекс] \ boldsymbol {15.0 \; \ mu \ textbf {A}} [/ латекс]

13: (а)

Рисунок 12.{-1}} [/ latex] процент увеличения

(e) Не имеет значения.

15: (a) [латекс] \ boldsymbol {-66.7 \; \ Omega} [/ латекс]

(b) У вас не может быть отрицательного сопротивления.

(c) Неразумно, что [latex] \ boldsymbol {I_G} [/ latex] больше, чем [latex] \ boldsymbol {I _ {\ textbf {tot}}} [/ latex] (см. Рисунок 5). Вы не можете добиться полного отклонения, используя ток, меньший, чем чувствительность гальванометра.

Измерение тока и разности потенциалов – Электрический ток и разность потенциалов – KS3 Physics Revision

Вы можете измерять ток и разность потенциалов в цепях.Это разные вещи, и поэтому они измеряются по-разному.

Ток

Ток – это мера того, сколько электрического заряда проходит через цепь. Чем больше заряда течет, тем больше ток.

Ток измеряется в амперах. Обозначение ампера – А. Например, 20 А – это больший ток, чем 5 А. Слово «ампер» часто сокращается до «ампер», поэтому люди говорят о том, сколько ампер протекает.

Измерение тока

Устройство, называемое амперметром, используется для измерения тока.У некоторых типов амперметров есть стрелка на циферблате, но у большинства есть цифровой дисплей. Чтобы измерить ток, протекающий через компонент в цепи, вы должны подключить амперметр последовательно с ним.

Цепь с амперметром, подключенным в двух разных местах, как последовательно с ячейкой, так и с лампой

Когда два компонента подключены последовательно, вы можете проследить путь через оба компонента, не отрывая пальца и не возвращаясь по пути, который вы уже проложили взятый.

Разница потенциалов

Разница потенциалов – это мера разницы в энергии между двумя частями цепи.Чем больше разница в энергии, тем больше разность потенциалов.

Разность потенциалов измеряется в вольтах. Символ для вольт – V. Например, 230 В – это большая разность потенциалов, чем 12 В. Вместо того, чтобы говорить о разности потенциалов, люди часто говорят о напряжении, поэтому вы можете услышать или увидеть «напряжение» вместо «разности потенциалов».

Измерение разности потенциалов

Разность потенциалов измеряется с помощью устройства, называемого вольтметром. Как и амперметры, у некоторых типов есть указатель на циферблате, но у большинства есть цифровой дисплей.Однако, в отличие от амперметра, вы должны подключить вольтметр параллельно, чтобы измерить разность потенциалов на компоненте в цепи.

Принципиальная схема, показывающая вольтметр параллельно с лампой

Когда два компонента соединены параллельно, вы не можете проследить цепь через оба компонента от одной стороны к другой, не поднимая пальца или не возвращаясь по уже пройденному пути.

Cells

Вы можете измерить разность потенциалов на элементе или батарее.Если две или более ячеек указывают в одном направлении, чем больше ячеек, тем больше разность потенциалов.

Каждая ячейка имеет разность потенциалов 1,5 В, поэтому три ячейки дают 4,5 В

Контрольная точка

Ошибка разрыва связи

    Щиток приборов

    PHYS-2225

    Перейти к содержанию Щиток приборов
    • Авторизоваться

    • Панель приборов

    • Календарь

    • Входящие

    • История

    • Помощь

    Закрывать