Методика решения задач по физике Дифракция Магнитное поле в веществе Основы электродинамики Пример вычисления индуктивности Энергия и импульс электромагнитной волны Оптика Ньютона

Лабораторная работа

Измерение силы тока и напряжения в цепях постоянного тока

Задача посвящена знакомству с техникой измерений силы тока и напряжения в цепи постоянного тока с помощью широко рас­пространенных в лабораторной практике приборов: многопредельных стрелочных и электронных вольтметров, амперметров, комбинированных приборов (тестеров).

Общие сведения

Для измерения силы тока применяют приборы, называемые ампермет­рами. В основе их работы лежит однозначная зависимость угла поворо­та стрелки индикатора (а, следовательно, и показаний прибора), соеди­ненной с подвижным узлом, от величины силы тока, протекающего через измерительный узел прибора. Для измерения амперметры включают после­довательно в разрыв цепи в том ее участке, где необходимо определить силу тока (рис.1).

Очевидно, что чем меньше внутреннее сопротивление ам­перметра, тем меньшее изменение величины силы тока в цепи вызовет его включение, а следовательно, тем точнее будет определено истинное значение. Поэтому подобные измерения имеют смысл лишь когда выполняется условие

rA << R

где rA – внутреннее сопротивление прибора. Для расширения преде­лов измерений параллельно амперметру подключают резисторы, сопроти­вление которых меньше внутреннего сопротивления прибора. Их назы­вают шунтами. Сопротивление шунта определяется из соотношения

где n - число, показывающее во сколько раз увеличен предел измере­ния, rш - величина сопротивления шунта.

Шкалы амперметров обычно градуируют непосредственно в единицах силы тока: амперах, миллиамперах или микроамперах. Нередко в ла­бораторной практике применяет многопредельные амперметры. Внутри ко­рпуса таких приборов размещают несколько различных шунтов, которые подключаются параллельно индикатору с помощью переключателя пределов измерений. На лицевой панели многопредельных приборов указывают мак­симальные значения силы тока, которые могут быть измерены при том или ином положении переключателя пределов измерений. Цена деления шкалы (если у прибора имеется единственная шкала) будет разной для каждого предела измерений. Часто многопредельные приборы имеют нес­колько шкал, каждая из которых соответствует определенному пределу измерений.

Если для измерений в цепи постоянного тока применяется универ­сальный прибор, допускавший выполнение измерений а цепях и постоян­ного, и переменного тока, или комбинированный прибор, предназначен­ный для измерения различных электрических величин, то переключатель рода работы следует установить в положение, соответствующее измере­нию силы тока в режиме "постоянный ток" (обычно это положение обоз­начается символом "–"). Отсчет показаний при этом производится по той шкале, против которой указаны символы "–" и "А" (или "mА", "mА"). Если нулевое значение шкалы амперметра расположено слева (а не посередине), то во избежание выхода из строя прибора необходимо следить за полярностью его подключения в цепь. Входную клемму при­бора, обозначаемую символами "T", "–" или "общ", подключают к той точке разрыва цепи, которая имеет меньший потенциал, относительно другой точки, подключаемой к входной клемме, обозначаемой символа­ми + или "А".

Заметим, что из-за малой величины внутреннего сопротивления амперметров измерения силы тока сле­дует производить, по возможности, лишь после того, как известно приблизительно (хотя бы по порядку величины) ожидаемое значение.

Если оно не известно, то измерение следует начинать, используя максимальный предел, так как в этом случае вероятность превышения значения силы тока в цепи максимально допустимой для данного прибо­ра (а следовательно, и выхода его из строя) будет наименьшей. Если после такого включения в цепь прибора стрелка отклонится на слишком малый угол, то необходимо перейти на меньший предел, предварительно отклю­чив прибор из цепи. Оптимальным можно считать выбор того предела из­мерений, при котором стрелка индикатора в процессе измерения будет располагаться в правой части шкалы.

Для измерения напряжения на участке цепи (разности потенциалов между точками, ограничивавшими исследуемый участок, применяет при­боры - вольтметры, подключаемые параллельно исследуемому участку (рис.2). Фактически вольтметр (кроме приборов некоторых систем, например электростатической) представляет собой амперметр, шкала кото­рого проградуирована в единицах напряжения - вольтах, милливольтах, микровольтах, киловольтах. Однако в отличие от амперметров, внутреннее сопротивление вольтметра rв должно быть как можно больше соп­ротивления того участка цепи R, на котором проводятся измерения. В противном случае параллельное подключение прибора приведет к существенному изменению величины силы тока в цепи и, следовательно, к заметному изменению разности потенциалов, подвергаемой измерению.

Для расширения пределов измерений последовательно с вольтметром включают добавочные сопротивления rд, величина которых может быть определена из соотношения

rд = (n–1)rв

где п - число, определяющее во сколько раз требуется увеличить пре­дел измерений. Размещение нескольких добавочных сопротивлений и пе­реключателя, позволяющего их подключать к индикатору, внутри корпуса прибора, дает возможность конструировать многопредельные вольтметры. На их лицевых панелях рядом с переключателем пределов измерений ука­зывают максимальные значения разности потенциалов, которые могут быть измерены при том или ином положении переключателя.

При выполнении измерений в целях постоянного тока следует, так же как и при измерениях силы тока, соблюдать полярность подключения прибора к цепи. При использовании комбинированных многопредельных приборов переключатель рода работы должен быть установлен в положе­ние, соответствующее измерению напряжения в цепи постоянного тока (оно обычно обозначается символами "–","+U", "–U" или "V"). От­счет показаний производится по тем шкалам, рядом с которыми указаны символы "V" и "–". Цена делений определяется для каждого предела измерений или для каждой шкалы в отдельности.

Большой точности измерения напряжения можно достичь, если вос­пользоваться ламповыми, транзисторными или электронно-цифровыми во­льтметрами. Их внутреннее сопротивление, как правило, значительно превышает внутреннее сопротивление обычных стрелочных вольтметров. Однако, в силу конструктивных особенностей и способов преобразования исследуемой величины в показания прибора, при выполнении измерений, а также перед их началом, необходимо периодически проверять правиль­ность установки нулевого значения по шкале или цифровому индикатору. Для этого переключатель режимов работы необходимо установить в поло­жение "контроль нуля" (иногда оно обозначается символом ">0<") и замкнуть накоротко входные клеммы прибора. При необходимости регули­ровка нулевого положения стрелки или установка нулевого значения на индикаторе осуществляется вращением ручки переменного резистора, ря­дом с которым на лицевой панели указывают "установка нуля" или ">0<").

При выполнении одновременных измерений силы тока и напряжения в цепи возможны два варианта подключения приборов, представленные на рис.3. Очевидно, что вариантом (а) можно пользоваться, когда внутреннее сопротивление вольтметра rв значительно превышает сопротивле­ние участка цепи R, а вторым (б) – когда вну­треннее сопротивление амперметра rА значительно меньше величин R.

При выполнении задачи используются различные электроизмерительные приборы, описания и инструкции по эксплуатации которых выдаются перед работой. Перед началом измерений все приборы нужно подготовить к работе согласно их инструкциям. В случае использования для измерений ламповых, транзисторных или цифровых вольтметров, то до начала измерений, после прогрева приборов в течение около десяти минут, необходимо выполнить проверку правильности установки нулевых значений.

Законы постоянного тока Отношение работы, совершаемой сторонними силами при перемещении положительного заряда по всей замкнутой цепи, к значению этого заряда называется электродвижущей силой источника (сокращенно ЭДС)


Измерение силы тока и напряжения в цепях постоянного тока