14.5. Физические принципы работы электроизмерительных приборов

Действие магнитного поля на рамку с током широко используется в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической и электродинамической систем.

14.5.1. Магнитоэлектрическая система

Работа этих приборов основана на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита М и подвижной катушки (рамки Р), по которой течет измеряемый ток (рис. 14.12). Рамка, состоящая из нескольких витков тонкой проволоки (алюминиевой или медной), подвешена на упругой нити С в зазоре (2-3 мм) между полюсными наконечниками (N и S) магнита и сплошным железным цилиндром Ц, укрепленным в корпусе прибора. Благодаря влиянию ферромагнитного цилиндра линии магнитной индукции в зазоре направлены радиально, а модуль векторапостоянен.

В состоянии покоя рамка расположена параллельно магнитным силовым линиям. При пропускании по рамке измеряемого тока I, на нее согласно (14.12) действует вращающий момент М₁, обусловленный взаимодействием тока с магнитным полем магнита и пропорциональный силе тока:

M₁=k₁I,

гдеk₁=BNS (S -площадь рамки, N –число ее витков).

Рис. 14.12

Противодействующий момент М₂, создаваемый спиральными пружинами, пропорционален углу закручивания :

М₂=k₂,

где k₂ - модуль кручения.

Установившийся угол отклонения рамки с током определится из условия равенства этих моментов:

М₁=М₂ или k₁I =k₂.

Таким образом,

=k_iI, (14.18)

где k_i=k₁/k₂ =BNS/k_I - чувствительность по току.

Согласно формуле (14.18) для приборов магнитоэлектрической системы угол поворота рамки (и скрепленной с ней стрелки) пропорционален силе измеряемого тока. Линейная зависимость между I и  обеспечивает равномерность шкалы прибора.

Угол поворота рамки обычно мал, поэтому часто прибегают к оптическому методу его определения – методу зеркального отсчета. Для этого служит зеркальце, на которое падает луч от осветительного устройства.

Магнитоэлектрические приборы можно использовать для измерения электрического заряда q, проходящего через поперечное сечение цепи при кратковременном токе (например, при разряде конденсатора). Такой гальванометр называется баллистическим. В нем искусственно увеличен момент инерции подвижной системы, благодаря чему за время  (Т - периода колебаний рамки) прохождения тока рамка практически не успевает выйти из своего исходного положения равновесия, а лишь приобретает кинетическую энергию , переходящую в потенциальную энергию закручивающейся нити. Заряд q, прошедший через прибор, будет пропорционален максимальному углу отклонения подвижной системы прибора от равновесия, т.е. q _max.

Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются: высокая чувствительность и точность показаний (наиболее чувствительны зеркальные гальванометры, позволяющие обнаружить токи (10^-7–10^-11) А и напряжения 10^-8В; нечувствительность к внешним магнитным полям; малое потребление энергии; равномерность шкалы; апериодичность (стрелка быстро устанавливается на соответствующем делении почти без колебаний).

Недостатки: возможность измерений лишь в цепях постоянного тока; чувствительность к перегрузкам.