Что измеряет вольтметр и амперметр: Чем амперметр отличается от вольтметра?

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.

Вольтметр и амперметр

Основное назначение измерительных модулей

Самыми известными измерительными приборами, которые используются как в бытовых, так и в производственных условиях считаются вольтметр и амперметр. Главная их функция — это получения известных параметров электрического тока. Исходя из названия описываемых приборов можно сделать вывод какие именно измерения ими можно проводить. Если это вольтметр, то его задачей является измерение напряжения и так называемой электродвижущей силы. Именно такое определение и заключат в себе Вольт. В случае с амперметром — это I или сила тока в рабочей электрической цепи.

У вольтметра практически всегда большее сопротивление обмоток. Это существенное имеющиеся в конструкции отличие от амперметра. Существует и иной вариант, когда имеет место наличие дополнительного сопротивления в принципиальной, технической схеме.  

Точность измерений

Если говорить о конструктивном исполнении двух приборов, то внешнее их сходство очевидно. Как, впрочем, и основополагающий принцип их работы. Он базируется на двухстороннем взаимодействии двух полей — магнитного с одной и электрического с другой стороны. Именно это и объясняет колебания стрелки на цифровой шкале в ходе измерительных манипуляций. Но на этом их сходства заканчиваются. Дело в том, что модули производят измерения разных характеристик тока в электрической цепи. При этом, например, амперметр обязательно будет иметь минимальное сопротивление. В противном в ходе измерительного процесса прибор правильных данных не покажет. А выдаст он только сильно искажённые данные по причине неточного значения в электрической цепи силы тока.

Если исходить из существующих теоретических обоснований, то сопротивление у амперметра обязательно будет равняться – 0. Добиться такого на практике практически нереально — у них всегда своя особенная чувствительность. Масштабы устройств в данном случае могут быть совершенно разными. У них на шкале указываются миллиамперы (мА), килоамперы или же собственно – амперы (А).

Совершенно противоположный рабочий принцип положен в устройство вольтметров. Здесь для того чтобы электрическое напряжение гарантировано было стабильным, приходиться производить значительное уменьшение параметра I (силы тока). Опять же согласно существующей теории для максимально точных показаний снимаемых с прибора придётся создать особые условия. Они должны позволить сопротивлению у вольтметра стремиться к бесконечности. Сделать это на практике также сложно. Но вывод здесь один — точность проводимых измерений напряжения вольтметром напрямую зависит от параметра сопротивления (чем он выше, тем лучше).

Методы подключения

Важно упомянуть о том, что способы подключения обычного амперметра и вольтметра несхожи. Они принципиально отличаются между собой. Это обусловлено прежде всего разными конструктивными особенностями. Выполняемые задачами также не имеют сходства. Так, вольтметр подключается при соблюдении принципа параллельности относительно измеряемого участка электрической цепи. Таким образом будут получены максимально точные показатели напряжения – U. Если же произвести подключение так называемым «методом последовательного соединения», то тогда будут получены силы тока или I.

Обязательно необходимо запомнить, что амперметр может выйти из строя по причине внезапного короткого замыкания. Возникнуть такая ситуация может из-за подключения прибора напрямую к источнику питания. Делать это строго запрещено. А вот поступить таким образом с вольтметром уже можно. Его подсоединение к открытым выводам (например, контактным клеммам) электрического тока КТ (короткого замыкания) не спровоцирует.

Октябрьское прибытие партии материалов

25/10/2022подробнее

Прибытие материалов на наш склад в октябре 2022 г

11/10/2022подробнее

Прибытие материалов в октябре 2022 г

03/10/2022подробнее

Прибытие материалов в сентябре 2022 г

14/09/2022подробнее

Прибытие материалов в сентябре в объёме свыше 60 тонн

09/09/2022подробнее

21.4 Вольтметры и амперметры постоянного тока – College Physics

Резюме

• Объясните, почему вольтметр должен быть подключен параллельно цепи.
• Нарисуйте схему, показывающую правильное подключение амперметра к цепи.
• Опишите, как можно использовать гальванометр как вольтметр или амперметр.
• Найдите сопротивление, которое нужно включить последовательно с гальванометром, чтобы его можно было использовать как вольтметр с заданными показаниями.
• Объясните, почему измерение напряжения или тока в цепи никогда не может быть точным.

Вольтметры измеряют напряжение, тогда как амперметры измеряют ток. Некоторые счетчики в автомобильных приборных панелях, цифровых камерах, сотовых телефонах и тюнерах-усилителях являются вольтметрами или амперметрами. (См. рис. 1.) Внутренняя конструкция простейших из этих счетчиков и то, как они подключены к системе, которую они контролируют, дают дополнительные сведения о применении последовательных и параллельных соединений.

Рисунок 1. Датчики уровня топлива и температуры (крайний правый и крайний левый, соответственно) в этом Volkswagen 1996 года — это вольтметры, которые регистрируют выходное напряжение «передатчиков», которое, как мы надеемся, пропорционально количеству бензина в баке и температура двигателя. (кредит: Кристиан Гирсинг)

вольтметров подключены параллельно любому устройству, напряжение которого нужно измерить. Параллельное соединение используется потому, что параллельные объекты испытывают одинаковую разность потенциалов. (См. рис. 2, где вольтметр обозначен символом V.)

Амперметры

подключаются последовательно к устройству, ток которого нужно измерить. Последовательное соединение используется потому, что последовательно соединенные объекты имеют одинаковый ток, проходящий через них. (См. рис. 3, где амперметр обозначен символом А.)

Рисунок 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 непосредственно через ЭДС без учета его внутреннего сопротивления, р . (b) Используемый цифровой вольтметр. (кредит: Messtechniker, Wikimedia Commons) Рис. 3. Амперметр (A) подключен последовательно для измерения тока. Весь ток в этой цепи протекает через счетчик. Амперметр будет иметь такое же показание, если он будет расположен между точками d и e или между точками f и a, как показано на рисунке. (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 ручному калькулятору. Сердцем большинства аналоговых счетчиков является устройство, называемое гальванометром , обозначаемым буквой G. Ток, протекающий через гальванометр $latex \boldsymbol{I_{\textbf{G}}}$, вызывает пропорциональное отклонение стрелки. (Это отклонение происходит из-за силы магнитного поля, действующей на проводник с током.)

Двумя важнейшими характеристиками данного гальванометра являются его сопротивление и чувствительность к току. Чувствительность по току — это ток, который дает полное отклонение стрелки гальванометра, максимальный ток, который может измерить прибор. Например, гальванометр с токовой чувствительностью $latex \boldsymbol{50 \;\mu \textbf{A}} $ имеет максимальное отклонение стрелки, когда $latex \boldsymbol{50 \;\mu \textbf{A} } $ проходит через него, читается наполовину, когда $latex \boldsymbol{25 \;\mu \textbf{A}} $ проходит через него, и так далее.

Если такой гальванометр имеет сопротивление $латекс \boldsymbol{25 – \;\Omega}$, то напряжение всего $латекс \boldsymbol{V = IR = (50 \;\mu \textbf{A}) (25 \;\Omega) = 1,25 \;\textbf{мВ}} $ дает полномасштабное показание. Подключая 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 рис. 4 показано, как можно использовать гальванометр в качестве вольтметра, подключив его последовательно с большим сопротивлением $latex \boldsymbol{R} $. Значение сопротивления $latex \boldsymbol{R} $ определяется максимальным измеряемым напряжением. Предположим, вы хотите, чтобы напряжение 10 В вызывало полное отклонение вольтметра, содержащего $латексный \boldsymbol{25 – \;\Omega} $ гальванометр с $латексным \boldsymbol{50 – \;\mu \textbf{A}} $ чувствительность. Тогда 10 В, подаваемые на счетчик, должны давать ток $latex \boldsymbol{50 \;\mu \textbf{A}} $. Общее сопротивление должно быть

$latex \boldsymbol{R_{\textbf{tot}} = R + r =} $ $latex \boldsymbol{=} $ $latex \boldsymbol{=200 \;\textbf{k} \Omega \;\textbf{ , или}} $

$латекс \boldsymbol{R = R_{\textbf{tot}} – r = 200 \;\textbf{k} \Omega – 25 \;\Omega \примерно 200 \;\textbf{k} \Omega} $

($latex \boldsymbol{R} $ настолько велик, что сопротивлением гальванометра, $latex \boldsymbol{r} $, можно пренебречь). латекс \boldsymbol{25 – \;\mu \textbf{A}} $ ток через счетчик, поэтому показания вольтметра, как и требуется, пропорциональны напряжению.

Этот вольтметр бесполезен при напряжении менее половины вольта, потому что отклонение измерителя будет небольшим и его трудно будет точно считывать. Для других диапазонов напряжения последовательно с гальванометром включают другие сопротивления. Многие счетчики имеют 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 Р . Чем больше измеряемое напряжение, тем больше должно быть R . (Обратите внимание, что r представляет собой внутреннее сопротивление гальванометра.)

Гальванометр как амперметр

Тот же гальванометр можно также превратить в амперметр, поместив его параллельно с небольшим сопротивлением $латекс \boldsymbol{R} $, часто называемым шунтовым сопротивлением , как показано на рисунке 5. Поскольку шунтирующее сопротивление мало, через него проходит большая часть тока, что позволяет амперметру измерять токи, намного большие, чем те, которые вызывают полное отклонение гальванометра.

Допустим, например, нужен амперметр, дающий полное отклонение на 1,0 А, и содержащий тот же $латексный \boldsymbol{25 – \;\Omega} $ гальванометр с его $латексным \boldsymbol{50 – \; \mu \textbf{A}} $ чувствительность. Поскольку $latex \boldsymbol{R} $ и $latex \boldsymbol{r} $ соединены параллельно, напряжение на них одинаково.

Эти капли $latex \boldsymbol{IR} $ являются $latex \boldsymbol{IR = I_Gr} $, так что $latex \boldsymbol{IR = \frac{I_G}{I} = \frac{R}{r}} $ . Находя $latex \boldsymbol{R} $ и учитывая, что $latex \boldsymbol{I_G} $ есть $latex \boldsymbol{50 \;\mu \textbf{A}} $, а $latex \boldsymbol{I} $ есть 0,9{-3} \;\Омега}. $

Рис. 5. Небольшое шунтирующее сопротивление R , помещенное параллельно с гальванометром G, дает амперметр, отклонение на полную шкалу которого зависит от выбора R . Чем больше измеряемый ток, тем меньше должны быть R . Большая часть тока ( I ), протекающего через счетчик, шунтируется через R для защиты гальванометра. (Обратите внимание, что r представляет собой внутреннее сопротивление гальванометра.) Амперметры также могут иметь несколько шкал для большей гибкости в применении. Различные масштабы достигаются включением 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 цепь, но полезно изучить обстоятельства, при которых они влияют или не влияют.

Сначала рассмотрим вольтметр, который всегда ставится параллельно измеряемому устройству. Через вольтметр протекает очень небольшой ток, если его сопротивление на несколько порядков больше, чем сопротивление устройства, и поэтому на цепь не оказывается заметного влияния. (См. рис. 6(а).) (Большое сопротивление, соединенное параллельно с малым, имеет суммарное сопротивление, практически равное малому.) Если, однако, сопротивление вольтметра сравнимо с сопротивлением измеряемого устройства, то два параллельно имеют меньшее сопротивление, заметно влияя на цепь. (См. рис. 6(b).) Напряжение на устройстве не такое, как если бы вольтметр не был включен в цепь.

Рисунок 6. (a) Вольтметр, сопротивление которого значительно превышает сопротивление устройства ( R _{Вольтметр} >> R ), с которым он соединен параллельно, создает параллельное сопротивление, практически такое же, как и устройство, и не оказывает заметного влияния измеряемая цепь. (b) Здесь вольтметр имеет то же сопротивление, что и устройство ( R _{Вольтметр} ≅ R ), так что параллельное сопротивление вдвое меньше, чем при неподключенном вольтметре. Это пример существенного изменения схемы, которого следует избегать.

Амперметр включен последовательно в измеряемую ветвь цепи, так что его сопротивление добавляется к этой ветви. Обычно сопротивление амперметра очень мало по сравнению с сопротивлениями устройств в цепи, поэтому лишнее сопротивление незначительно. (См. рис. 7(а).) Однако, если используются очень малые сопротивления нагрузки или если сопротивление амперметра не такое низкое, как должно быть, то общее последовательное сопротивление будет значительно больше, а ток в ответвлении составит измеряемое уменьшается. (См. рис. 7(b).)

При неправильном подключении амперметра может возникнуть практическая проблема. Если бы он был подключен параллельно резистору для измерения тока в нем, вы могли бы повредить счетчик; низкое сопротивление амперметра позволило бы большей части тока в цепи проходить через гальванометр, и этот ток был бы больше, поскольку эффективное сопротивление меньше.

Рисунок 7. (a) Обычно амперметр имеет настолько малое сопротивление, что общее последовательное сопротивление в измеряемой ветви не увеличивается заметно. Схема практически не изменилась по сравнению с отсутствием амперметра. (b) Здесь сопротивление амперметра такое же, как сопротивление ответвления, так что общее сопротивление удваивается, а ток вдвое меньше, чем без амперметра. Этого значительного изменения схемы следует избегать.

Одним из решений проблемы помех вольтметров и амперметров в измеряемых цепях 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, точность измерений которых составляет несколько процентов. Обратите внимание, что неточность возникает из-за изменения схемы, а не из-за неисправности счетчика.

Connections: Limits to Knowledge

Выполнение измерения изменяет измеряемую систему таким образом, что возникает неопределенность в измерении. Для макроскопических систем, таких как схемы, обсуждаемые в этом модуле, изменение обычно можно сделать пренебрежимо малым, но полностью устранить его нельзя. Для субмикроскопических систем, таких как атомы, ядра и более мелкие частицы, измерение изменяет систему таким образом, что ее нельзя сделать произвольно малой. Это фактически ограничивает знание системы — даже ограничивает то, что природа может знать о себе. Мы увидим глубокие последствия этого, когда принцип неопределенности Гейзенберга будет обсуждаться в модулях по квантовой механике. 96} $.

PhET Explorations: набор для построения схемы (только DC), виртуальная лаборатория

Стимулируйте нейрон и следите за происходящим. Делайте паузы, перематывайте назад и двигайтесь вперед во времени, чтобы наблюдать за движением ионов через мембрану нейрона.

Рис. 8. Комплект для построения схемы (только для постоянного тока), виртуальная лаборатория

• Вольтметры измеряют напряжение, а амперметры измеряют ток.
• Вольтметр размещается параллельно источнику напряжения для получения полного напряжения и должен иметь большое сопротивление, чтобы ограничить его влияние на цепь.
• Амперметр включен последовательно, чтобы получить полный ток, протекающий через ветвь, и должен иметь небольшое сопротивление, чтобы ограничить его влияние на цепь.
• Оба могут быть основаны на комбинации резистора и гальванометра, устройства, которое дает аналоговое считывание тока.
• Стандартные вольтметры и амперметры изменяют измеряемую цепь и, таким образом, имеют ограниченную точность.

Задача Упражнения

1: Какова чувствительность гальванометра (т. е. какой ток дает полное отклонение) внутри вольтметра, имеющего $latex \boldsymbol{1.00 – \;\textbf{M} \ Сопротивление Omega} $ по шкале 30,0 В?

2: Какова чувствительность гальванометра (то есть какой ток дает полное отклонение) внутри вольтметра, имеющего $latex \boldsymbol{25. 0 – \;\textbf{k} \Omega} $ сопротивление по шкале 100 В?

3: Найдите сопротивление, которое необходимо включить последовательно с гальванометром $latex \boldsymbol{25,0 – \;\Omega} $, имеющим $latex \boldsymbol{50,0 – \;\mu \textbf{A}} $ чувствительность (такая же, как обсуждалась в тексте), чтобы можно было использовать его в качестве вольтметра с полным отсчетом 0,100 В.

4: Найдите сопротивление, которое нужно включить последовательно с гальванометром $latex \boldsymbol{25,0 – \;\Omega} $, имеющим $latex \boldsymbol{50,0 – \;\mu \textbf{A}} $ чувствительность (такая же, как рассмотренная в тексте), позволяющая использовать его в качестве вольтметра с полным отсчетом 3000 В. Включите принципиальную схему с вашим решением.

5: Найдите сопротивление, которое необходимо подключить параллельно гальванометру $latex \boldsymbol{25,0 – \;\Omega} $ с чувствительностью $latex \boldsymbol{50,0 – \;\textbf{A}} $ (такой же, как обсуждаемый в тексте), чтобы его можно было использовать в качестве амперметра с полным отсчетом 10,0 А. Включите принципиальную схему с вашим решением.

6: Найдите сопротивление, которое необходимо подключить параллельно гальванометру $latex \boldsymbol{25,0 – \;\Omega} $, имеющему $latex \boldsymbol{50,0 – \;\mu \textbf{A}} $ чувствительность (такая же, как рассмотренная в тексте), чтобы можно было использовать его в качестве амперметра с полным отсчетом 300 мА.

7: Найдите сопротивление, которое нужно включить последовательно с $латексным \boldsymbol{10.0 – \;\Omega} $ гальванометром, имеющим $латексный \boldsymbol{100 – \;\mu \textbf{A}} $ чувствительность, чтобы его можно было использовать в качестве вольтметра с: (а) показанием полной шкалы 300 В и (б) показанием полной шкалы 0,300 В.

8: Найдите сопротивление, которое необходимо подключить параллельно $латексному \boldsymbol{10.0 – \;\Omega} $ гальванометру, имеющему $латексный \boldsymbol{100 – \;\mu \textbf{A}} $ чувствительность, чтобы его можно было использовать в качестве амперметра с: (a) показанием полной шкалы 20,0 А и (b) полномасштабным показанием 100 мА. {-5} \;\Omega} $ по шкале 3,00-A и содержит $latex \boldsymbol{10,0 – \ ;\Omega} $ гальванометр. Какова чувствительность гальванометра?

12: Вольтметр $latex \boldsymbol{1.00 – \;\textbf{M} \Omega} $ устанавливается параллельно $latex \boldsymbol{75.0 – \;\textbf{k} \Omega} $ резистор в цепи. а) Нарисуйте схему соединения. б) Чему равно сопротивление комбинации? (c) Если напряжение на комбинации остается таким же, как и на одном резисторе $latex \boldsymbol{75,0 – \;\textbf{k} \Omega} $, на сколько процентов увеличится ток? (d) Если ток через комбинацию остается таким же, как и через резистор $latex \boldsymbol{75,0 – \;\textbf{k} \Omega} $, на сколько процентов уменьшается напряжение? (e) Являются ли существенными изменения, обнаруженные в частях (c) и (d)? Обсуждать.

13: Латексный \boldsymbol{0,0200 – \;\Omega} $ амперметр включен в цепь последовательно с $латексным \boldsymbol{10,00 – \;\Omega} $ резистором. а) Нарисуйте схему соединения. (b) Рассчитайте сопротивление комбинации. (c) Если напряжение остается таким же на всей комбинации, как и на одном резисторе $latex \boldsymbol{10.00 – \;\Omega} $, на сколько процентов уменьшится ток? (d) Если ток поддерживается таким же через комбинацию, как и через резистор $latex \boldsymbol{10.00 – \;\Omega} $, на сколько процентов увеличится напряжение? (e) Являются ли существенными изменения, обнаруженные в частях (c) и (d)? Обсуждать.

14: Необоснованные результаты

Предположим, у вас есть гальванометр $latex \boldsymbol{40,0 – \;\Omega} $ с чувствительностью $latex \boldsymbol{25,0 – \;\mu \textbf{A}} $. а) Какое сопротивление вы бы включили с ним последовательно, чтобы его можно было использовать в качестве вольтметра с полным отклонением 0,500 мВ? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения ответственны?

15: Необоснованные результаты

(a) Какое сопротивление вы бы подключили параллельно $латексному \boldsymbol{40,0 – \;\Omega} $ гальванометру, имеющему
$latex \boldsymbol{25. 0 – \;\mu \textbf{A}} $ чувствительность, позволяющая использовать его в качестве амперметра с полным отклонением для $latex \boldsymbol{10.0 – \;\mu \textbf {А}} $? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения ответственны?

Глоссарий

Вольтметр

прибор для измерения напряжения

амперметр

прибор для измерения силы тока

аналоговый счетчик

измерительный прибор, дающий показания в виде движения стрелки по маркированному калибру

цифровой счетчик

измерительный прибор, дающий показания в цифровой форме

гальванометр

аналоговое измерительное устройство, обозначенное буквой G, которое измеряет ток, используя отклонение стрелки, вызванное силой магнитного поля, действующей на проводник с током

чувствительность по току

максимальный ток, который может считывать гальванометр

полное отклонение

максимальное отклонение стрелки гальванометра, также известное как токовая чувствительность; гальванометр с полным отклонением $latex \boldsymbol{50 \;\mu \textbf{A}} $ имеет максимальное отклонение своей стрелки, когда $latex \boldsymbol{50 \;\mu \textbf{A}} $ течет через него

Шунтирующее сопротивление

маленькое сопротивление $латекс \boldsymbol{R}$, помещенное параллельно гальванометру G для получения амперметра; чем больше измеряемый ток, тем меньше должен быть $latex \boldsymbol{R} $; большая часть тока, протекающего через счетчик, шунтируется через $латекс \boldsymbol{R} $ для защиты гальванометра

 

Вольтметры и амперметры постоянного тока | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объяснить, почему вольтметр должен быть подключен параллельно цепи.
• Нарисуйте схему, показывающую правильное подключение амперметра к цепи.
• Опишите, как можно использовать гальванометр как вольтметр или амперметр.
• Найдите сопротивление, которое нужно включить последовательно с гальванометром, чтобы его можно было использовать как вольтметр с заданными показаниями.
• Объясните, почему измерение напряжения или тока в цепи никогда не может быть точным.

Вольтметры измеряют напряжение, тогда как амперметры измеряют ток. Некоторые счетчики в автомобильных приборных панелях, цифровых камерах, сотовых телефонах и тюнерах-усилителях являются вольтметрами или амперметрами. (См. рис. 1.) Внутренняя конструкция простейших из этих счетчиков и то, как они подключены к системе, которую они контролируют, дают дополнительные сведения о применении последовательных и параллельных соединений.

Рис. 1. Датчики уровня топлива и температуры (крайний правый и крайний левый соответственно) в этом Volkswagen 1996 года — это вольтметры, которые регистрируют выходное напряжение «передатчиков», которое, как мы надеемся, пропорционально количеству бензина в баке и температура двигателя. (кредит: Кристиан Гирсинг)

Вольтметры подключаются параллельно любому устройству, напряжение которого нужно измерить. Параллельное соединение используется потому, что параллельные объекты испытывают одинаковую разность потенциалов. (См. рис. 2, где вольтметр обозначен символом V.) Амперметры подключаются последовательно к любому устройству, ток которого нужно измерить. Последовательное соединение используется потому, что последовательно соединенные объекты имеют одинаковый ток, проходящий через них. (См. рис. 3, где амперметр обозначен символом А.)

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 непосредственно через ЭДС без учета его внутреннего сопротивления r . (b) Используемый цифровой вольтметр. (кредит: Messtechniker, Wikimedia Commons)

Рисунок 3. Амперметр (A) подключен последовательно для измерения тока. Весь ток в этой цепи протекает через счетчик. Амперметр будет иметь такое же показание, если он будет расположен между точками d и e или между точками f и a, как показано на рисунке. (Обратите внимание, что заглавная буква E означает emf, а r обозначает внутреннее сопротивление источника разности потенциалов.)

Аналоговые измерители: гальванометры

Аналоговые измерители имеют иглу, которая поворачивается, чтобы указывать на числа на шкале, в отличие от цифровых измерителей , которые имеют числовые показания, подобные ручному калькулятору. Сердцем большинства аналоговых счетчиков является устройство, называемое гальванометром , обозначаемым буквой G. Ток, протекающий через гальванометр, I _G , производит пропорциональное отклонение иглы. (Это отклонение связано с силой магнитного поля, воздействующей на провод с током.)

Двумя важнейшими характеристиками данного гальванометра являются его сопротивление и чувствительность к току. Чувствительность по току — это ток, который дает полное отклонение стрелки гальванометра, максимальный ток, который может измерить прибор. Например, гальванометр с токовой чувствительностью 50 мкА имеет максимальное отклонение своей стрелки при протекании через нее 50 мкА, показывает половину шкалы при протекании через нее 25 мкА и т. д. Если такой гальванометр имеет сопротивление 25 Ом, то напряжение всего 9 Ом0030 В = IR = (50 мкА)(25 Ом) = 1,25 мВ дает полное показание. Подключая резисторы к этому гальванометру различными способами, вы можете использовать его как вольтметр или амперметр, который может измерять широкий диапазон напряжений или токов.

Гальванометр в качестве вольтметра

На рис. 4 показано, как можно использовать гальванометр в качестве вольтметра, подключив его последовательно с большим сопротивлением R . Значение сопротивления R определяется максимальным измеряемым напряжением. Предположим, вы хотите, чтобы 10 В производили полное отклонение вольтметра, содержащего гальванометр на 25 Ом с чувствительностью 50 мкА. Тогда 10 В, подаваемые на счетчик, должны давать ток 50 мкА. Общее сопротивление должно быть

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

[латекс]R={R}_{\text{tot}}-r=200\text{k}\Omega- 25\text{ }\Omega \примерно 200\text{ k}\Omega \\[/latex].

( R настолько велико, что сопротивление гальванометра, r , почти пренебрежимо мало.) Обратите внимание, что 5 В, приложенные к этому вольтметру, вызывают отклонение на половину шкалы, создавая ток 25 мкА через измеритель, и поэтому показания вольтметра пропорциональны напряжению по желанию. Этот вольтметр не будет полезен для напряжений менее половины вольта, потому что отклонение измерителя будет небольшим и его трудно будет точно считывать. Для других диапазонов напряжения последовательно с гальванометром включают другие сопротивления. Многие счетчики имеют выбор шкалы. Этот выбор включает последовательное включение соответствующего сопротивления с гальванометром.

Рис. 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 собой внутреннее сопротивление гальванометра.)

Гальванометр как амперметр

Тот же гальванометр можно превратить в амперметр, поместив его параллельно с небольшим сопротивлением R , часто называемое шунтирующим сопротивлением , как показано на рис. 5. Поскольку шунтирующее сопротивление мало, большая часть тока проходит через него, что позволяет амперметру измерять токи, намного превышающие те, которые вызывают полное отклонение гальванометр. Предположим, например, что нужен амперметр, дающий полное отклонение на 1,0 А, и содержащий такой же 25-омный гальванометр с его чувствительностью 50 мкА. Так как R и r включены параллельно, напряжение на них одинаковое. Эти 9{-3}\text{ }\Omega\\[/latex].

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

Проведение измерений изменяет схему

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 цепь, но полезно изучить обстоятельства, при которых они влияют или не влияют. Во-первых, рассмотрим вольтметр, который всегда ставится параллельно измеряемому устройству. Через вольтметр протекает очень небольшой ток, если его сопротивление на несколько порядков больше, чем сопротивление устройства, и поэтому на цепь не оказывается заметного влияния. (См. рис. 6(а).) (Большое сопротивление, соединенное параллельно с малым, имеет суммарное сопротивление, практически равное малому.) Если, однако, сопротивление вольтметра сравнимо с сопротивлением измеряемого устройства, то два параллельно имеют меньшее сопротивление, заметно влияя на цепь. (См. рис. 6(b).) Напряжение на устройстве не такое, как если бы вольтметр не был включен в цепь.

Рис. 6. (a) Вольтметр, сопротивление которого значительно превышает сопротивление устройства (RVoltmeter>>R), с которым он соединен параллельно, создает параллельное сопротивление, практически такое же, как и устройство, и не оказывает заметного влияния на измеряемую цепь. (b) Здесь вольтметр имеет то же сопротивление, что и устройство (RVoltmeter ≅ R), так что параллельное сопротивление составляет половину того, что оно имеет, когда вольтметр не подключен. Это пример существенного изменения схемы, которого следует избегать.

Амперметр подключается последовательно к измеряемой ветви цепи, так что его сопротивление добавляется к этой ветви. Обычно сопротивление амперметра очень мало по сравнению с сопротивлениями устройств в цепи, поэтому лишнее сопротивление незначительно. (См. рис. 7(а).) Однако, если используются очень малые сопротивления нагрузки или если сопротивление амперметра не такое низкое, как должно быть, то общее последовательное сопротивление будет значительно больше, а ток в ответвлении составит измеряемое уменьшается. (См. рис. 7(b).) При неправильном подключении амперметра может возникнуть практическая проблема. Если бы он был подключен параллельно резистору для измерения тока в нем, вы могли бы повредить счетчик; низкое сопротивление амперметра позволило бы большей части тока в цепи проходить через гальванометр, и этот ток был бы больше, поскольку эффективное сопротивление меньше.

Рис. 7. (a) Обычно амперметр имеет настолько малое сопротивление, что общее последовательное сопротивление в измеряемой ветви не увеличивается заметно. Схема практически не изменилась по сравнению с отсутствием амперметра. (b) Здесь сопротивление амперметра такое же, как сопротивление ответвления, так что общее сопротивление удваивается, а ток вдвое меньше, чем без амперметра. Этого значительного изменения схемы следует избегать.

Одним из решений проблемы помех вольтметров и амперметров в измеряемых цепях 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: пределы знаний

Выполнение измерения изменяет измеряемую систему таким образом, что возникает неопределенность в измерении. Для макроскопических систем, таких как схемы, обсуждаемые в этом модуле, изменение обычно можно сделать пренебрежимо малым, но полностью устранить его нельзя. Для субмикроскопических систем, таких как атомы, ядра и более мелкие частицы, измерение изменяет систему таким образом, что ее нельзя сделать произвольно малой. Это фактически ограничивает знание системы — даже ограничивает то, что природа может знать о себе. Мы увидим глубокие последствия этого, когда принцип неопределенности Гейзенберга будет обсуждаться в модулях по квантовой механике.

Существует еще один метод измерения, основанный на полном отсутствии тока и, следовательно, на полном отсутствии изменения схемы. Они называются нулевыми измерениями и являются темой нулевых измерений. Цифровые счетчики, в которых используется твердотельная электроника и нулевые измерения, могут достигать точности в одну часть на 10 ⁶ .

Проверьте свое понимание

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?

Решение

Поскольку цифровые счетчики потребляют меньше тока, чем аналоговые счетчики, они меньше изменяют схему, чем аналоговые счетчики. Их сопротивление в качестве вольтметра может быть намного больше, чем у аналогового измерителя, а их сопротивление в качестве амперметра может быть намного меньше, чем у аналогового измерителя. Обратитесь к рисунку 2 и рисунку 3 и их обсуждению в тексте.

Исследования PhET: комплект для построения цепей (только DC), виртуальная лаборатория

Стимулируйте нейрон и следите за происходящим. Делайте паузы, перематывайте назад и двигайтесь вперед во времени, чтобы наблюдать за движением ионов через мембрану нейрона.

Нажмите, чтобы загрузить симуляцию. Запуск с использованием Java.

Резюме раздела

• Вольтметры измеряют напряжение, а амперметры измеряют ток.
• Вольтметр размещается параллельно источнику напряжения для получения полного напряжения и должен иметь большое сопротивление, чтобы ограничить его влияние на цепь.
• Амперметр включен последовательно, чтобы получить полный ток, протекающий через ветвь, и должен иметь небольшое сопротивление, чтобы ограничить его влияние на цепь.
• Оба могут быть основаны на комбинации резистора и гальванометра, устройства, которое дает аналоговое считывание тока.
• Стандартные вольтметры и амперметры изменяют измеряемую цепь и, таким образом, имеют ограниченную точность.

Концептуальные вопросы

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

Рисунок 9.

2. Предположим, вы используете мультиметр (предназначенный для измерения диапазона напряжений, токов и сопротивлений) для измерения тока в цепи и случайно оставили его в режиме вольтметра. Какое влияние счетчик окажет на цепь? Что произойдет, если вы измеряете напряжение, но случайно переведете мультиметр в режим амперметра?

3. Укажите точки, к которым можно подключить вольтметр для измерения следующих разностей потенциалов на рисунке 10: (а) разность потенциалов источника напряжения; (b) разность потенциалов на R ₁ ; (c) через R ₂ ; (d) через R ₃ ; (e) между R ₂ и R ₃ . Обратите внимание, что может быть более одного ответа на каждую часть.

Рис. 10.

4. Чтобы измерить токи на рисунке 10, вы должны заменить провод между двумя точками амперметром. Укажите точки, между которыми вы поместите амперметр для измерения следующих параметров: (а) полный ток; (b) ток, протекающий через R ₁ ; (c) через R ₂ ; (d) через R ₃ . Обратите внимание, что может быть более одного ответа на каждую часть.

Задачи и упражнения

1. Какова чувствительность гальванометра (т. е. какой ток дает полное отклонение) внутри вольтметра, имеющего сопротивление 1,00 МОм на шкале 30,0 В?

2. Какова чувствительность гальванометра (т. е. какой ток дает полное отклонение) внутри вольтметра, имеющего сопротивление 25,0 кОм на 100-вольтовой шкале?

3. Найдите сопротивление, которое необходимо включить последовательно с гальванометром на 25,0 Ом с чувствительностью 50,0 мкА (такой же, как рассмотренный в тексте), чтобы его можно было использовать в качестве вольтметра с 0,100 В. полномасштабное чтение.

4. Найдите сопротивление, которое необходимо включить последовательно с 25,0-омным гальванометром с чувствительностью 50,0 мкА (такой же, как рассмотренный в тексте), чтобы его можно было использовать в качестве вольтметра с напряжением 3000 В. полномасштабное чтение. Включите принципиальную схему с вашим решением.

5. Найдите сопротивление, которое необходимо подключить параллельно гальванометру 25,0 Ом с чувствительностью 50,0 мкА (такой же, как рассмотренный в тексте), чтобы его можно было использовать в качестве амперметра с током 10,0 А. полномасштабное чтение. Включите принципиальную схему с вашим решением.

6. Найдите сопротивление, которое необходимо подключить параллельно гальванометру 25,0 Ом с чувствительностью 50,0 мкА (такой же, как рассмотренный в тексте), чтобы его можно было использовать в качестве амперметра с током 300 мА. полномасштабное чтение.

7. Найдите сопротивление, которое необходимо включить последовательно с гальванометром сопротивлением 10,0 Ом с чувствительностью 100 мкА, чтобы его можно было использовать в качестве вольтметра с: (a) полным показанием 300 В, и ( б) показание полной шкалы 0,300 В.

8. Найдите сопротивление, которое необходимо подключить параллельно гальванометру с сопротивлением 10,0 Ом и чувствительностью 100 мкА, чтобы его можно было использовать в качестве амперметра с: (a) полным показанием 20,0 А, и ( б) 100-мА полное показание.

9. Предположим, вы измеряете напряжение на клеммах щелочного элемента на 1,585 В, имеющего внутреннее сопротивление 0,100 Ом, приложив к его клеммам вольтметр на 1,00 кОм. (См. рис. 11.) а) Какой ток течет? (b) Найдите напряжение на клеммах. в) Чтобы увидеть, насколько близко измеренное напряжение на клеммах к ЭДС, рассчитайте их отношение.

Рисунок 11.

10. Предположим, вы измеряете напряжение на клеммах литиевого элемента на 3,200 В, имеющего внутреннее сопротивление 5,00 Ом, приложив к его клеммам вольтметр на 1,00 кОм. а) Какой ток течет? (b) Найдите напряжение на клеммах. в) Чтобы увидеть, насколько близко измеренное напряжение на клеммах к ЭДС, рассчитайте их отношение.

11. Определенный амперметр имеет сопротивление 5,00 × 10 ⁻⁵ Ом по шкале 3,00 А и содержит гальванометр на 10,0 Ом. Какова чувствительность гальванометра?

12. Вольтметр на 1,00 МОм включен в цепь параллельно резистору на 75,0 кОм. а) Нарисуйте схему соединения. б) Чему равно сопротивление комбинации? (c) Если напряжение на комбинации останется таким же, как и на одном резисторе 75,0 кОм, на сколько процентов увеличится ток? (d) Если ток через комбинацию остается таким же, как и через один резистор 75,0 кОм, на сколько процентов уменьшится напряжение? (e) Являются ли существенными изменения, обнаруженные в частях (c) и (d)? Обсуждать.

13. Амперметр на 0,0200 Ом включен в цепь последовательно с резистором на 10,00 Ом. а) Нарисуйте схему соединения. (b) Рассчитайте сопротивление комбинации. (c) Если напряжение остается таким же на комбинации, как и на одном резисторе 10,00 Ом, на сколько процентов уменьшится ток? (d) Если ток через комбинацию остается таким же, как и через один резистор 10,00 Ом, на сколько процентов увеличится напряжение? (e) Являются ли существенными изменения, обнаруженные в частях (c) и (d)? Обсуждать.

14. Необоснованные результаты  Предположим, у вас есть гальванометр с сопротивлением 40,0 Ом и чувствительностью 25,0 мкА. а) Какое сопротивление вы бы включили с ним последовательно, чтобы его можно было использовать в качестве вольтметра с полным отклонением 0,500 мВ? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения ответственны?

15. Необоснованные результаты  (a) Какое сопротивление вы бы подключили параллельно гальванометру на 40,0 Ом с чувствительностью 25,0 мкА, чтобы его можно было использовать в качестве амперметра с полным отклонением 10,0 мкА? ? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения ответственны?

Глоссарий

вольтметр:

прибор для измерения напряжения

амперметр:

прибор для измерения силы тока

аналоговый счетчик:

измерительный прибор, дающий показания в виде движения стрелки по маркированному калибру

цифровой счетчик:

измерительный прибор, дающий показания в цифровой форме

гальванометр:

аналоговое измерительное устройство, обозначенное буквой G, которое измеряет ток, используя отклонение стрелки, вызванное силой магнитного поля, действующей на проводник с током

чувствительность тока:

максимальный ток, который может считывать гальванометр

полное отклонение:

максимальное отклонение стрелки гальванометра, также известное как токовая чувствительность; гальванометр с полным отклонением 50 мкА имеет максимальное отклонение своей стрелки при протекании через нее тока 50 мкА

Шунтовое сопротивление:

небольшое сопротивление R  помещенное параллельно гальванометру G для получения амперметра; чем больше измеряемый ток, тем меньше должны быть R ; большая часть тока, протекающего через счетчик, шунтируется через R для защиты гальванометра

.

No related posts.