Амперметры и вольтметры

Амперметры – приборы, служащие для измерения силы тока. При измерениях амперметр включают в цепь последовательно, т.е. так, чтобы весь измеряемый ток проходил через амперметр (рис.1). Поэтому амперметры должны иметь малое сопротивление, чтобы включение их не изменяло заметно величины тока в цепи. Вольтметры – приборы, служащие для измерения напряжения. При измерении вольтметр включают параллельно тому участку цепи, на концах которого хотят измерить разность потенциалов. Для того чтобы включение вольтметра не изменяло заметно режима цепи, сопротивление вольтметра должно быть очень велико по сравнению с сопротивлением участка цепи R. Для расширения пределов измерения амперметров и вольтметров применяются шунты и добавочные сопротивления.

В спомогательные элементы электрических цепей

Шунты. Шунты представляют собой сопротивление, включаемое последовательно с нагрузкой и параллельно измерительному механизму амперметра (рис.2). Пусть сопротивление самого прибора R_A; сопротивление шунта R_Ш; ток через прибор I_А; через шунт I_Ш.

Тогда I=I_A+I_Ш, I_A/I_Ш=R_Ш/R_A. Отсюда I_A=IR_Ш/(R_Ш+R_A),

а R_Ш=I_AR_A/(I-I_A).

Из формулы видно, что чем меньше сопротивление шунта, тем меньшая доля от общего тока будет протекать через прибор. Для того чтобы сила тока I_А составляла 1/n долю от силы тока I (I=nI_A), надо положить

R_Ш=R_A/(n-1).

Добавочные сопротивления. Для расширения пределов измерений вольтметров применяются добавочные сопротивления, которые включаются последовательно с вольтметрами (рис.3). Зная, что напряжение на участке MN определяется как U=I(R_g+R_B), легко найти величину добавочного сопротивления

R_g=U/I-R_B.

Если пределы измерения напряжения должны быть в n раз больше, то получаем

R_g=R_B(n-1).

Реостаты, потенциометры и магазины сопротивлений

Реостаты. В электроизмерительной практике часто применяются реостаты. Наибольшее распространение получили реостаты со скользящим контактом. Они состоят из фарфорового или шиферного цилиндра, на который намотана проволока (или лента), изготовленная из металла с большим удельным сопротивлением.

Над цилиндром укреплен проводник, по которому может перемещаться контакт, позволяющий постепенно включать в цепь обмотку. Реостат включается в сеть через клемму а, соединенную с ползунком, и любую из клемм (b и с) (рис. 4.

Магазин сопротивлений. Набор эталонных сопротивлений составляет так называемый магазин сопротивлений. Каждое эталонное сопротивление состоит из катушки, изготовленной из манганина и константана. Катушки набора помещаются в общий ящик. На эбонитовой (или пластмассовой) крышке ящика укреплены массивные медные пластины MN (рис. 5). Концы каждой из катушек R соединены с двумя соседними пластинами. Конические вилки А плотно вставляются в гнезда пластин и служат непосредственным контактом между пластинами. Когда все вилки вставлены, ток проходит от пластины к пластине без заметного сопротивления. Но если вынуть какую-нибудь вилку, то ток может пройти только через соответствующую катушку.

Рычажные магазины также состоят из набора катушек, прикрепленных к контактам, по которым скользят рычаги. Величина введенного сопротивления отсчитывается непосредственно по положению рычагов.

П отенциометр.Потенциометр предназначен для плавного изменения напряжения. Чтобы понять работу потенциометра, рассмотрим следующую схему (рис.6). Напряжение источника (300 В) подается на три последовательно соединенных сопротивления R₁, R₂ и R₃.

Вольтметр V (рис.7) покажет напряжение источника (U=300 В). Вольтметры V₁, V₂ и V₃ покажут напряжения (или падение напряжений) на соответствующих сопротивлениях R₁, R₂ и R₃ (рис.7).

Напряжение (или падение напряжения) – это разность потенциалов между двумя точками электрической цепи. Допустим, что указанные сопротивления равны между собой R₁=R₂=R₃=R.

Какие напряжения покажут вольтметры V₁, V₂ и V₃?

Т ак как сопротивления составляют последовательную с источником цепь, то ток в этой цепи будет один – J. Согласно закону Ома, для участка цепи: U=JR. Поэтому

U₁ = U₂ = U₃, или

(JR₁ = JR₂ = JR₃).

Сумма этих напряжений равна общему напряжению источника:

U=U₁ + U₂ + U₃ = 300 В.

Таким образом, все три вольтметра покажут по 100 В.

Рассмотрим другой вариант:

R₁>R₂>R₃ . Какой вольтметр покажет большее напряжение? Т.к. ток в цепи один – J, то первый вольтметр покажет U₁=JR₁, второй – U₂=JR₂, третий – U₃=JR₃, т.е. напряжение будет большим на большем сопротивлении и

U₁ > U₂ > U₃

Можно подобрать такие сопротивления, чтобы U₁=150 B, U₂=100 B, тогда на 3-ем сопротивлении вольтметр покажет 50 В (300 В = 150 В + 100 В + 50 В).

Рассмотренная схема представляет так называемую схему делителя напряжения. Все напряжение источника можно разделить на 3 части: равные по 100 В или неравные – 150 В, 100 В и 50 В. Точки a и b можно использовать в качестве источника питания в 100 В ( в одном случае) или 50 В ( другой случай).

Подбирая соответствующим образом сопротивления, общее напряжение источника (в нашем случае 300 В) можно разделить на необходимые по величине напряжения для питания разных схем.

Подчеркнем, что выше была рассмотрена схема делителя напряжения на 3-х сопротивлениях. Но число сопротивлений может быть любым – два, три, четыре и т.д.

ПОТЕНЦИОМЕТР:

Рассмотрим работу делителя напряжения, подключив к источнику вместо двух последовательно соединенных сопротивлений переменное сопротивление, или реостат. Все напряжение источника подается на две нижние (или постоянные) клеммы реостата (рис.8). Снимается напряжение также с 2-х клемм:

обязательно с верхней (подвижной) клеммы и любой нижней и подается на вольтметр (рис.9а) и с вольтметра далее в электрическую цепь.

Р

ассмотрим как будет изменяться напряжение, показываемое вольтметром, в зависимости от положения движка реостата. Очевидно, что когда движок стоит посредине реостата, то он все сопротивление делит на 2 равные части (R₁=R₂) (см.рис.9, б) и вольтметр покажет половину всего напряжения источника (U=150 В). Вольтметр покажет меньшее напряжение (<150 В), если движок передвинуть влево на рис.14,а. В этом случае напряжение снимается с меньшей части сопротивления реостата. При дальнейшем передвижении движка влево до конца– сопротивление, с которого снимается напряжение, обратится в нуль, и вольтметр также покажет U= 0В (рис.10).

При перемещении движка вправо (рис.10, а) сопротивление, с которого снимается напряжение, растет и соответственно увеличивается напряжение (U=JR), показываемое вольтметром от 150 до 300 В (рис.10, б).

Таким образом, если движок реостата перемещать от положения на рис.10,а в положение на рис.10,б, вольтметр будет показывать плавно увеличивающееся напряжение от 0 до максимального (в рассматриваемом случае до 300 В).