Амперметр. Назначение, типы амперметров их устройство и принцип работы, как пользоваться и подключать

Назначение амперметра.

Амперметр — это электроизмерительный прибор, который предназначен для измерения силы электрического тока в каком-нибудь участке электрической цепи. Эта величина задается единицах, называемых амперами, отсюда и название прибора – “Амперметр”. На практике значения электрического тока измеряются в различных диапазонах – от микроампер (мкА) до килоампер (кА).

Амперметр – это тот же гальванометр, только приспособленный для измерения силы тока, его шкала проградуирована в амперах.

На схемах амперметр изображают кружком с буквой А в центре.

Для измерения силы тока можно использовать и мультиметр. Перед измерением необходимо прочитать инструкцию к конкретной модели мультиметра, чтобы его правильно настроить и подключить в электрическую цепь.

Как работает амперметр?

Существует два типа амперметров: аналоговые, показывающие значение путем отклонения стрелки механического устройства, и все чаще использующиеся в настоящее время цифровые приборы, оснащенные сложными электронными схемами.

При изготовлении аналоговых амперметров необходимо использовать эффекты, зависящие от величины электрического тока. Чаще всего они связаны с созданием магнитного поля проводником, в котором течет электрический ток. Чем выше сила тока, тем больше эффект, производимый данным явлением.

Каждый аналоговый амперметр имеет подвижную и неподвижную части. К подвижной части прикреплена стрелка, которая перемещается по шкале и позволяет считывать показания прибора. Чтобы избежать ошибок при снятии показаний, которые вызваны эффектом параллакса, следует смотреть на стрелку под прямым углом к ​​шкале, чему способствует зеркало, расположенное рядом со шкалой (см. рисунок 1).

Индикаторный микроамперметр с зеркалом
Рис. 1. Индикаторный микроамперметр с зеркалом, установленным для уменьшения эффекта параллакса при снятии показаний

Типы амперметров их устройство и принцип работы

Каждый тип амперметра использует различные физические явления, связанные с протеканием электрического тока через проводник. Некоторые из них перечислены ниже.

Магнитоэлектрический амперметр

  • На проводник с электрическим током, помещенный в магнитное поле, действует электродинамическая сила, величина которой зависит от абсолютной величины электрического тока, длины проводника и величины магнитной индукции.

Конструкция магнитоэлектрического амперметра, основанного на этом явлении, показана на рис. 2. Вращающаяся катушка, через которую протекает измеряемый электрический ток, отмечена красным цветом. Части катушки, перпендикулярные плоскости рисунка, используются в качестве проводника.

Магнитное поле создается постоянным магнитом, сформированным таким образом, чтобы поле было радиальным. Таким образом, каждый фрагмент взаимодействующего проводника всегда перпендикулярен вектору индукции магнитного поля, независимо от положения катушки с указателем.

Схема работы магнитоэлектрического амперметра
Рис. 2. Схема работы магнитоэлектрического амперметра. Красный цвет – это катушка в которой течет ток, зеленый – пружина.

Формула, описывающая силу магнитного взаимодействия, действующую на прямолинейный проводник с током, помещенным в магнитное поле, имеет вид: F = I * L * B (1), где:

Согласно этой формуле, на токоведущие проводники перпендикулярно плоскости (см. рисунок 2) действует сила, направление которой перпендикулярно как этим проводникам, так и вектору индукции магнитного поля. Эта сила вызывает вращение катушки. Значение силы, согласно формуле (1), равно F = I * l * B * sin α (2), где:

где α – угол между направлениями вектора L и вектора индукции магнитного поля B. Как было сказано выше, этот угол всегда равен 900, если магнитное поле радиальное.

Пружина, обозначенная зеленым цветом на рисунке 2, противодействует вращению катушки таким образом, что устанавливается равновесное положение в зависимости от силы тока, значение которой можно определить по стрелке, расположенной над шкалой амперметра.

Таким образом, описанный амперметр показывает направление протекания электрического тока. Его можно использовать только для постоянного или однонаправленного тока. Такова, в частности, конструкция гальванометров.

Электродинамический амперметр

  • Две катушки, по которым течет электрический ток, взаимодействуют друг с другом с помощью магнитного взаимодействия.

Электродинамический амперметр состоит из двух катушек – подвижной и неподвижной (см. рисунок 3).

Устройство электродинамического амперметра
Рис. 3. Устройство электродинамического амперметра. 1 – неподвижная катушка, 2 – подвижная катушка, 3 – пружина

Если через обе катушки протекает электрический ток, значение которого мы хотим измерить, магнитные поля будут взаимодействовать, вызывая отклонение подвижной катушки и прикрепленного к ней указателя (стрелки). Этот эффект не зависит от направления протекания электрического тока. Электродинамический амперметр может использоваться для измерения постоянного и переменного тока, включая быстро меняющийся ток. Это точные устройства, но дорогие. Чаще всего они используются в лабораториях в качестве эталонных измерительных приборов.

Индукционный амперметр

  • В металлическом вращающемся диске вихревые токи индуцируются под воздействием магнитных полей, создаваемых катушками, в которых протекает переменный электрический ток.

Электрические токи I1 и I2 (см. рисунок 4), протекающие в катушках электромагнитов, создают пульсирующие магнитные потоки, которые вызывают вихревые токи в диске, помещенном в воздушный зазор электромагнитов.

Вихревые токи также создают магнитное поле, которое отталкивающе взаимодействует с полем катушки, заставляя диск вращаться.

Индукционный амперметр
Рис. 4. Устройство индукционного амперметра

Индуктивный амперметр можно использовать только для измерения переменного тока, т.к. постоянный ток не будет вызывать вихревые токи в диске. Этот тип конструкции в настоящее время используются только в качестве счетчиков электроэнергии.

Как пользоваться и подключать амперметр к цепи?

Для измерения силы тока в простейшей электрической цепи мы должны обязательно разорвать цепь в любом месте и в этот разрыв подключить прибор (см. рисунок 5). Такое подключение называют последовательным. То есть, например, для измерения силы тока в проводнике амперметр подключают последовательно с этим проводником — в этом случае через проводник и амперметр идёт одинаковый ток.

Способ подключения амперметра в электрической цепи
Рис. 5. Способ подключения амперметра в электрической цепи

В цепи, состоящей из источника тока и ряда проводников, соединённых так, что конец одного проводника соединяется с началом другого, сила тока во всех участках одинакова. Это следует из того, что заряд, проходящий через любое поперечное сечение проводников цепи за 1 с, одинаков. Когда в электрической цепи существует ток, то заряд нигде в проводниках цепи не накапливается, подобно тому как нигде в отдельных частях трубы не собирается вода, когда она течёт по трубе. Поэтому при измерении силы тока амперметр можно включать в любое место цепи, состоящей из ряда последовательно соединённых проводников, так как сила тока во всех точках цепи одинакова. Если включить один амперметр в электрическую цепь до лампы, другой после неё, то оба они покажут одинаковую силу тока.

Внимание! Нельзя присоединять амперметр к зажимам источника без какого-либо приёмника тока, соединённого последовательно с амперметром. Можно испортить амперметр!

Для каждого амперметра существует верхний предел измерения (предельная сила тока), то есть по шкале амперметра видно, на какую наибольшую силу тока он рассчитан. Включение амперметра в электрическую цепь с большей силой тока недопустимо, так как он может выйти из строя.

При включении прибора необходимо соблюдать полярность, т. е. клемму прибора, отмеченную знаком “+”, нужно подключать только к проводу, идущему от клеммы со знаком “+” источника тока. При правильном включении прибора электрический ток через амперметр должен идти от клеммы « + » к клемме « – » .

При включении в цепь амперметр, как всякий измерительный прибор, не должен влиять на измеряемую величину. Поэтому он устроен так, что при включении его в цепь сила тока в ней почти не изменяется. Как мы уже знаем, любые измерительные электроприборы обладают определенным электрическим сопротивлением. При включении последовательно в электрическую цепь амперметра его электрическое сопротивление добавляется к полному электрическому сопротивлению электрической цепи. Это вызывает нежелательное уменьшение силы тока. Чтобы этого не случилось, сопротивление амперметра должно быть мало. Идеальным был бы амперметр без сопротивления (R = 0), но на практике этого достичь невозможно.

Как увеличить диапазон измерения амперметра?

Чтобы измерение тока было как можно более точным, нам необходимо использовать соответствующий диапазон измерений. Попытка считывания значений в несколько мА, когда шкала перекрывает измерения до 100 А закончится тем, что мы даже не заметим отклонения стрелки амперметра.

Разработчики амперметров используют различные технические решения для того, чтобы иметь возможность измерять силу тока в различных диапазонах. В некоторых случаях мы можем сами изменить диапазон измерения прибора. Если мы добавим к нему дополнительный резистор (так называемый шунт), как показано на рис. 6, мы сможем измерять более высокие токи, не подвергая хрупкую структуру амперметра разрушению.

Расширение диапазона измерений амперметра
Рис. 6. Расширение диапазона магнитоэлектрического амперметра путем добавления шунтирующего резистора

Предположим, что мы хотим увеличить диапазон измерения амперметра в n раз. Полный ток I, протекающий через устройство (рис. 6), тогда равен n*IA . Тогда уравнения первого и второго правил Кирхгофа будут следующими:

  • n ⋅ IA = IA + IB
  • IB ⋅ RB = IA ⋅ RA

Следовательно, сопротивление шунтирующего резистора можно будет рассчитать так:

RB = RA / (n-1)

По конструктивным соображениям шунтирующий резистор используется только для магнитоэлектрического амперметра.

Список использованной литературы

  1. Войнаровский П. Д.,. Электрические измерительные аппараты // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  2. Л.И. Байда, Н.С. Добротворский, Е.М. Душин и др. “Электрические измерения”, М, “Энергия”, 1980г.
  3. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

Амперметр. Призначення, типи амперметрів їх будову та принцип роботи, як користуватися і підключати

Призначення амперметра.

Амперметр – це електровимірювальні прилади, який призначений для вимірювання сили електричного струму в будь-якій ділянці електричного кола. Ця величина задається одиницях, званих амперами, звідси і назва приладу – “Амперметр”. На практиці значення електричний струм вимірюється в різних діапазонах – від мікроампер (мкА) до кілоампер (кА).

Амперметр – це той же гальванометр, тільки пристосований для вимірювання сили струму , Його шкала проградуірована в амперах.

На схемах амперметр зображають кружком з буквою А в центрі.

Для вимірювання сили струму можна використовувати і мультиметр. Перед вимірюванням необхідно прочитати інструкцію до конкретної моделі мультиметра, щоб його правильно налаштувати і підключити в електричний ланцюг.

Як працює амперметр?

Існує два типи амперметрів: аналогові, що показують значення шляхом відхилення стрілки механічного пристрою, і все частіше використовуються в даний час цифрові прилади, оснащені складними електронними схемами.

При виготовленні аналогових амперметрів необхідно використовувати ефекти, залежні від величини електричного струму. Найчастіше вони пов’язані зі створенням магнітного поля провідником, в якому тече електричний струм. Чим вище сила струму, тим більше ефект, вироблений даним явищем.

Кожен аналоговий амперметр має рухливу і нерухому частини. До рухомої частини прикріплена стрілка, яка переміщається по шкалі і дозволяє зчитувати показання приладу. Щоб уникнути помилок при знятті показань, які викликані ефектом паралакса, слід дивитися на стрілку під прямим кутом до шкали, чому сприяє дзеркало, розташоване поруч зі шкалою (див. Малюнок 1).

Індикаторний мікроамперметр з дзеркалом
Мал. 1. Індикаторний мікроамперметр з дзеркалом, установленим для зменшення ефекту паралакса при знятті показань

Типи амперметрів їх будову та принцип роботи

Кожен тип амперметра використовує різні фізичні явища, пов’язані з протіканням електричного струму через провідник. Деякі з них перераховані нижче.

магнітоелектричний амперметр

  • На провідник з електричним струмом, поміщений в магнітне поле, діє електродинамічна сила, величина якої залежить від абсолютної величини електричного струму, довжини провідника і величини магнітної індукції.

Конструкція магнітоелектричного амперметра, заснованого на цьому явищі, показана на рис. 2. Обертається котушка, через яку протікає вимірюваний електричний струм, відзначена червоним кольором. Частини котушки, перпендикулярні площині малюнка, використовуються в якості провідника.

Магнітне поле створюється постійним магнітом, сформованим таким чином, щоб поле було радіальним. Таким чином, кожен фрагмент взаємодіє провідника завжди перпендикулярний вектору індукції магнітного поля, незалежно від положення котушки з покажчиком.

Схема роботи магнітоелектричного амперметра
Мал. 2. Схема роботи магнітоелектричного амперметра. Червоний колір – це котушка в якій тече струм, зелений – пружина.

Формула, що описує силу магнітного взаємодії, що діє на прямолінійний провідник зі струмом, поміщеним в магнітне поле, має вигляд: F = I * L * B (1), де:

Відповідно до цієї формули, на струмопровідні провідники перпендикулярно площині (див. Рисунок 2) діє сила, напрям якої перпендикулярно як цим провідникам, так і вектору індукції магнітного поля. Ця сила викликає обертання котушки. Значення сили, згідно з формулою (1), так само F = I * l * B * Sin α (2), де:

де α – кут між напрямками вектора L і вектора індукції магнітного поля B . Як було сказано вище, цей кут завжди дорівнює 90 0 , Якщо магнітне поле радіальне.

Пружина, позначена зеленим кольором на малюнку 2, протидіє обертанню котушки таким чином, що встановлюється рівноважний стан в залежності від сили струму, значення якої можна визначити по стрілці, розташованої над шкалою амперметра.

Таким чином, описаний амперметр показує напрямок протікання електричного струму. Його можна використовувати тільки для постійного або односпрямованого струму. Така, зокрема, конструкція гальванометрів.

електродинамічний амперметр

  • Дві котушки, по яких тече електричний струм, взаємодіють один з одним за допомогою магнітного взаємодії.

Електродинамічний амперметр складається з двох котушок – рухомої і нерухомої (див. Малюнок 3).

Пристрій електродинамічного амперметра
Мал. 3. Пристрій електродинамічного амперметра. 1 – нерухома котушка, 2 – рухома котушка, 3 – пружина

Якщо через обидві котушки протікає електричний струм, значення якого ми хочемо виміряти, магнітні поля будуть взаємодіяти, викликаючи відхилення рухомої котушки і прикріпленого до неї покажчика (стрілки). Цей ефект не залежить від напрямку протікання електричного струму. Електродинамічний амперметр може використовуватися для вимірювання постійного і змінного струму, включаючи швидко змінюється струм. Це точні пристрої, але дорогі. Найчастіше вони використовуються в лабораторіях в якості еталонних вимірювальних приладів.

індукційний амперметр

  • В металевому обертовому диску вихрові струми індукуються під впливом магнітних полів, створюваних котушками, в яких протікає змінний електричний струм.

Електричні струми I 1 і I 2 (Див. Рисунок 4), що протікають в котушках електромагнітів, створюють пульсуючі магнітні потоки, які викликають вихрові струми в диску, вміщеному в повітряний зазор електромагнітів.

Вихрові струми також створюють магнітне поле, яке відштовхуюче взаємодіє з полем котушки, змушуючи диск обертатися.

індукційний амперметр
Мал. 4. Пристрій індукційного амперметра

Індуктивний амперметр можна використовувати тільки для вимірювання змінного струму, тому що постійний струм не буде викликати вихрові струми в диску. Цей тип конструкції в даний час використовуються тільки в якості лічильників електроенергії.

Як користуватися і підключати амперметр до ланцюга?

Для вимірювання сили струму в найпростішого електричного кола ми повинні обов’язково розірвати ланцюг в будь-якому місці і в цей розрив підключити прилад (див. Рисунок 5). Таке підключення називають послідовним. Тобто, наприклад, для вимірювання сили струму в провіднику амперметр підключають послідовно з цим провідником – в цьому випадку через провідник і амперметр йде однаковий струм.

Спосіб підключення амперметра в електричному ланцюзі
Мал. 5. Спосіб підключення амперметра в електричному ланцюзі

У ланцюзі, що складається з джерела струму і ряду провідників, з’єднаних так, що кінець одного провідника з’єднується з початком іншого, сила струму в усіх ділянках однакова. Це випливає з того, що заряд, що проходить через будь-який поперечний переріз провідників ланцюга за 1 с, однаковий. Коли в електричному ланцюзі існує ток, то заряд ніде в провідниках ланцюга не накопичується, подібно до того як ніде в окремих частинах труби не збирається вода, коли вона тече по трубі. Тому при вимірюванні сили струму амперметр можна включати в будь-яке місце ланцюга, що складається з ряду послідовно з’єднаних провідників, так як сила струму в усіх точках ланцюга однакова. Якщо включити один амперметр в електричне коло до лампи, інший після неї, то обидва вони покажуть однакову силу струму.

Увага! Не можна приєднувати амперметр до затискачів джерела без будь-якого приймача струму, з’єднаного послідовно з амперметром. Можна зіпсувати амперметр!

Для кожного амперметра існує верхня межа вимірювання (гранична сила струму), тобто за шкалою амперметра видно, на яку найбільшу силу струму він розрахований. Включення амперметра в електричний ланцюг з більшою силою струму неприпустимо, так як він може вийти з ладу.

При включенні приладу необхідно дотримуватись полярності, т. Е. клему приладу, зазначену знаком “+”, потрібно підключати тільки до проводу, що йде від клеми зі знаком “+” джерела струму. При правильному включенні приладу електричний струм через амперметр повинен йти від клеми «+» до клеми «-».

При включенні в ланцюг амперметр, як всякий вимірювальний прилад, не повинен впливати на вимірювану величину. Тому він влаштований так, що при включенні його в ланцюг сила струму в ній майже не змінюється. Як ми вже знаємо, будь-які вимірювальні електроприлади мають певний електричним опором . При включенні послідовно в електричний ланцюг амперметра його електричний опір додається до повного електричного опору електричного кола. Це викликає небажане зменшення сили струму. Щоб цього не сталося, опір амперметра повинно бути мало. Ідеальним був би амперметр без опору (R = 0), але на практиці цього досягти неможливо.

Як збільшити діапазон виміру амперметра?

Щоб вимір струму було якомога точнішим, нам необхідно використовувати відповідний діапазон вимірювань. Спроба зчитування значень в кілька мА, коли шкала перекриває вимірювання до 100 А закінчиться тим, що ми навіть не помітимо відхилення стрілки амперметра.

Розробники амперметрів використовують різні технічні рішення для того, щоб мати можливість вимірювати силу струму в різних діапазонах. У деяких випадках ми можемо самі змінити діапазон виміру приладу. Якщо ми додамо до нього додатковий резистор (так званий шунт), як показано на рис. 6, ми зможемо вимірювати більш високі струми, не піддаючи тендітну структуру амперметра руйнування.

Розширення діапазону вимірювань амперметра
Мал. 6. Розширення діапазону магнітоелектричного амперметра шляхом додавання шунтирующего резистора

Припустимо, що ми хочемо збільшити діапазон виміру амперметра в n раз . повний струм I , Що протікає через пристрій (рис. 6), тоді дорівнює n * I A . Тоді рівняння першого і другого правил Кірхгофа будуть наступними:

  • n ⋅ I A = I A + I B
  • I B ⋅ R B = I A ⋅ R A

Отже, опір шунтуючого резистора можна буде розрахувати так:

R B = R A / (N-1)

По конструктивних міркувань шунтирующий резистор використовується тільки для магнітоелектричного амперметра.

Список використаної літератури

  1. Войнаровський П. Д.,. Електричні вимірювальні апарати // Енциклопедичний словник Брокгауза і Ефрона: в 86 т. (82 т. І 4 доп.). – СПб., 1890-1907.
  2. Л.І. Байда, Н.С. Добротвірської, Е.М. Душин і ін. “Електричні вимірювання”, М, “Енергія”, 1980р.
  3. Перишкін А. В. Фізика 8. – М .: Дрофа, 2010 року.