Задание3. Выполняется по указанию преподавателя.

Соберите неразветвленную замкнутую цепь (Рис.6), состоящую из миллиамперметра, источника и резисторов (сначала R₁, затем R₂). Данные источника ( Е, r)и сопротивлений R₁, R₂ уже найдены. Рассчитайте силу тока в этой цепи и сравните ее с показанием прибора. Результаты анализа записать в журнал.

Соберите неразветвленную замкнутую цепь (Рис.7). Данные источника (Е, r),сопротивлений R₁, R₂ и величинысопротивлений амперметра и вольтметравам известны. Сравните результаты измерений с расчетами для этого случая (используя R₁и R₂). Результаты анализа записать в журнал.

Изучение амперметра и вольтметра. Многопредельные приборы.

В настоящее время различают два типа электроизмерительных приборов: аналоговые и цифровые. Ниже рассматриваются аналоговые электроизмерительные приборы для измерения постоянного тока и напряжения.

Приборы, показания которых зависят от силы тока, получили общее название гальванометров. В основе их принципа действия могут лежать различные действия тока: магнитное, тепловое и другие.

Наиболее распространенными являются гальванометры магнитоэлектрической системы, основанные на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с рамкой (катушкой) с током, по которой протекает измеряемый ток. Более подробные данные об их конструкции можно найти во многих учебниках, например, школьном.

Гальванометр является высокочувствительным электроизмерительным прибором. С его помощью измеряют очень малые величины силы тока порядка миллиампера и менее. Так как катушка гальванометра имеет некоторое сопротивление, то протекающий по ней ток создает на нем небольшое напряжение. Его величину можно найти воспользовавшись законом Ома: U = IR.

Гальванометр является основой амперметра и вольтметра. Подключая к нему дополнительные сопротивления различными способами: параллельно или последовательно, получаем амперметр или вольтметр соответственно. Ниже рассматриваются способы расчета указанных сопротивлений.

Внимание!В настоящее время термин «гальванометр» в технике практически не употребляется. Исторически, его возникновение связано с именем Луиджи Гальвани (1737-1797). Как известно, электрический ток измеряется в амперах, миллиамперах и микроамперах. Около шкал указанных приборов (посередине) ставят следующие соответствующие символы: А , mA , mA.Обычно термин «гальванометр» отождествляется с термином микроамперметр.

Измерение токов. Амперметры включаются в цепь последовательно и для того, чтобы не изменять величину измеряемого тока, их изготовляют с возможно малым внутренним сопротивлением. Для расширения пределов измерений к амперметру параллельно присоединяется проводник, называемый шунтом.

Расчет шунта. По закону Кирхгофа в разветвленной цепи сумма токов равна току до разветвления (Рис.1.):

I=I_а +I_ш ( 1 )

Если разность потенциалов между точками А и В равна U, то по закону Ома для однородного участка цепи:

U=I_аR_a=I_шR_ш ( 2 ),

где R_а-сопротивление амперметра, R_ш-сопротивление шунта.

Подставляя I_ш в формулу ( 2 ), найденное из

выражения ( 1 ), получим: I_aR_a= (I-I_a ) R_ш,

откуда I = I_a( +1) ( 3 )

Таким образом, по формуле ( 3 ) сила тока I может быть легко вычислена, если известны R_a, R_ш и I_а - показание амперметра.

Из формулы (3) вытекает также условие для выбора шунта. Пусть вся шкала измерительного прибора рассчитана на ток I_a и нам необходимо присоединить шунт, чтобы пределы измерения увеличить в N раз, т.е. так, чтобы

I = I_а N ( 4 )

Сравнивая формулу (4) с выражением (3), получим

N = +1 (5)

откуда R_ш= (6)

При включении шунта, рассчитанного таким образом, цена деления прибора возрастает в N раз.

Измерение напряжений.

Вольтметр включается параллельно и поэтому изготовляется с максимально большим внутренним сопротивлением. Для увеличения пределов измерения вольтметра пользуются добавочным сопротивлением R_д, включенным последовательно ( рис.2 ).

По закону Ома разность потенциалов между точками А и В

U=I (R_Д+R_V ).

Так как IR_V= U_V, где U_V-показание вольтметра, то I= :

U= U_v ( +1 ) ( 7 )

Таким образом, измеряемое напряжение U может быть вычислено, если известны R_д, R_v и U_v. Из формулы ( 7 ) вытекает также условие для выбора добавочного сопротивления. Пусть вся шкала прибора рассчитана на напряжение U_v и нам необходимо присоединить добавочное сопротивление, чтобы пределы измерения увеличились в N раз:

U = U_V ×N ( 8 )

Сравнивая выражение (7) с формулой (8), найдем

N = +1 ( 9 )

откуда R_д = R_V ( N-1 ).

При подключении добавочного сопротивления, рассчитанного таким образом, цена деления возрастает в N раз.

Примечание. Приведённый вывод Rд справедлив так же в случае, если вместо вольтметра используется гальванометр (микроамперметр) с сопротивлением RG.В этом случае, очевидно, максимальное напряжение на нем будет равно I× RG .

В заключение отметим, что на практике большинство электроизмерительных приборов многопредельные, т. е. путем набора 2-5 шунтов или добавочных сопротивлений один и тот же гальванометр может быть использован для изменения токов и напряжений в широком диапазоне их изменения.