1.4 Електровимірювальні прилади

Для кількісного виміру електричних ( , , , …) і магнітних ( , , , …) величин у лабораторному практикумі застосовуються різні електровимірювальні прилади: гальванометри , амперметри , вольтметри і інші прилади, а також комбінації цих приладів у різних вимірювальних схемах.

За принципом роботи ці прилади є перетворювачі енергії електромагнітного поля струмів у механічну роботу переміщення вказівника (стрілки) індикатору відносно шкали приладу. Існують різні системи приладів, які розрізняють взаємодією рухомої і нерухомої частин і їх будовою. Позначення основних систем приладів приведено в Таблиці 1.4.1.

Таблиця 1.4.1.

1.4.1 Магнітоелектричні прилади

Розглянемо принцип дії магнітоелектричного приладу з рухомою рамкою. Цей прилад (див. Рис. 1.4.1.1) складається з рухомої рамки з немагнітного матеріалу, на яку намотана дротяна котушка , і розміщений всередині цієї котушки нерухомий циліндр з магнітом’якого матеріалу , розташований між полюсними наконечниками постійного магніту . Рухома рамка утримується пружинними контактами в зазорі між полюсними наконечниками постійного магніту і циліндром з магнітом’якого матеріалу. Тобто рамка з котушкою знаходиться в області, де концентроване магнітне поле постійного струму. Пружинні контакти служать провідниками, через які в рамку подається вимірюваний струм. До рамки приєднана стрілка, що повертається з каркасом і рамкою. При проходженні струму через котушку на неї діє обертальний момент, пропорційний силі струму . Під дією цього моменту котушка повертається і закручує пружинки доти, доки момент деформації пружинок , що протидіє обертанню не зрівноважить дії поля. З рівності випливає, що кут повороту котушки пропорційний силі струму:

.

Рис. 1.4.1.1

Лінійна залежність кута повороту котушки від сили струму забезпечує рівномірність шкали приладу. Завдяки високій чутливості магнітоелектрична система використовується для побудови гальванометрів.

Стала приладу , що визначається силою струму, який викликає відхилення індикаторної стрілки на одну поділку шкали, для особливо чутливих приладів становить 10^-7 – 10^-8 А/поділку. Такі прилади називаються гальванометрами.

Гальванометри, у яких момент інерції рамки з котушкою має таку величину, що час відхилення стрілки на всю шкалу становить долі секунди або більше, можуть використовуватись для вимірювання не тільки сили струму, але і кількості електрики – повного електричного заряду , який проходить через електричне коло з гальванометром при короткочасних процесах. Якщо струм проходить через рамку протягом короткого проміжку часу , то заряд, що пройшов через рамку гальванометру рівний . Магнітний обертаючий момент, що виникне при протіканні струму , збільшить момент імпульсу рамки, тобто

,

де - зміна кутової швидкості обертання протягом часу . В результаті поштовху рамка отримає кінетичну енергію обертання і почне закручувати пружину. При цьому виконуватиметься робота проти сил пружності, і, через якийсь час, звичайно, 5 – 10 с рамка зупиниться, повернувшись на деякий кут . Прирівнявши кінетичну енергію рамки потенціальній енергії пружної деформації нитки підвісу отримаємо

,

де - модуль кручення пружини. З цієї рівності слідує, що . Після послідовних перетворень отримаємо

.

Іншими словами, кут відхилення стрілки такого гальванометру прямо пропорційний електричному заряду , що пройшов через цей гальванометр за час . Такі гальванометри називаються «балістичними».

Позитивними якостями магнітоелектричних приладів є сталість їх чутливості у всьому діапазоні вимірів і нечутливість до зовнішніх магнітних полів, оскільки вони мають власне сильне магнітне поле. До їх недоліків відноситься відносно складна конструкція, висока вартість і недостатня стійкість до перевантажень.