Подключение амперметра и вольтметра в сети постоянного и переменного тока
Постоянный ток не меняет направления во времени. Примером может служить батарейка в фонарике или радиоприемнике, аккумулятор в автомобиле. Мы всегда знаем, где положительная клейма источника питания, а где отрицательная.
Переменный ток — это ток, который с определенной периодичностью меняет направление движения. Такой ток протекает в нашей розетке, когда мы к ней подключаем нагрузку. Тут нет положительного и отрицательного полюса, а есть только фаза и ноль. Напряжение на нуле близко по потенциалу с потенциалом земли. Потенциал же на фазовом выводе меняется с положительного до отрицательного с частотой 50 Гц, го есть ток под нагрузкой будет менять свое направление 50 раз в секунду.
В течение одного периода колебания величина тока повышается от нуля до максимума, затем уменьшается и проходит через ноль, а потом совершается обратный процесс, но уже с другим знаком.
Получение и передача переменного тока намного проще, чем постоянного: меньше потерь энергии, С помощью трансформаторов мы можем легко менять напряжение переменного тока.
При передаче большого напряжения требуется меньший ток для той же мощности. Это позволяет использовать более тонкие довода. В сварочных трансформаторах используется обратный процесс — понижают напряжение для повышения сварочного тока.
Измерение постоянного тока
Чтобы в электрической цепи измерить ток, необходимо последовательно с приемником электроэнергии включить амперметр или миллиамперметр. При этом, чтобы исключить влияние измерительного прибора на работу потребителя, амперметр должен обладать очень малым внутренним сопротивлением, чтобы практически его можно было бы принять равным нулю, чтобы падением напряжения на приборе можно было бы просто пренебречь.
Включение амперметра в цепь — всегда последовательно с нагрузкой. Если подключить амперметр параллельно нагрузке, параллельно источнику питания, то амперметр просто сгорит или сгорит источник, поскольку весь ток потечет через мизерное сопротивление измерительного прибора.
Шунт
Шунт — цепь, включаемая параллельно данной цепи или прибору. Шунты применяются для расширения пределов измерений амперметров, т. к. в шунте ответвляется часть тока, текущего в цепи, тем большая, чем меньше сопротивление шунта.
Пределы измерения амперметров, предназначенных для проведения измерений в цепях постоянного тока, расширяемы, путем подключения амперметра не напрямую измерительной катушкой последовательно нагрузке, а путем подключения измерительной катушки амперметра параллельно шунту.
Так через катушку прибора пройдет всегда лишь малая часть измеряемого тока, основная часть которого потечет через шунт, включенный в цепь последовательно. То есть прибор фактически измерит падение напряжения на шунте известного сопротивления, и ток будет прямо пропорционален этому напряжению.
Практически амперметр сработает в роли милливольтметра. Тем не менее, поскольку шкала прибора градуирована в амперах, пользователь получит информацию о величине измеряемого тока. Коэффициент шунтирования выбирают обычно кратным 10.
Шунты, рассчитанные на токи до 50 ампер монтируют непосредственно в корпуса приборов, а шунты для измерения больших токов делают выносными, и тогда прибор соединяют с шунтом щупами. У приборов, предназначенных для постоянной работы с шунтом, шкалы сразу градуированы в конкретных значениях тока с учетом коэффициента шунтирования, и пользователю уже не нужно ничего вычислять.
Если шунт наружный, то в случае с калиброванным шунтом — на нем указывается номинальный ток и номинальное напряжение: 45 мВ, 75 мВ, 100 мВ, 150 мВ. Для текущих измерений выбирают такой шунт, чтобы стрелка отклонялась бы максимум — на всю шкалу, то есть номинальные напряжения шунта и измерительного прибора должны быть одинаковыми.
Если речь идет об индивидуальном шунте для конкретного прибора, то все, конечно, проще. По классам точности шунты делятся на: 0,02, 0,05, 0,1, 0,2 и 0,5 — это допустимая погрешность в долях процента.
Шунты изготавливают из металлов с малым температурным коэффициентом сопротивления, и обладающих значительным удельным сопротивлением: константан, никелин, манганин, — чтобы когда протекающий через шунт ток нагревает его, это не отражалось бы на показаниях прибора. Еще для снижения температурного фактора при измерениях, последовательно с катушкой амперметра включают добавочный резистор из материла такого же рода.
Измерение постоянного напряжения
Чтобы измерить постоянное напряжение между двумя точками цепи, параллельно цепи, между этими двумя точками, подключают вольтметр. Вольтметр включается всегда параллельно приемнику или источнику. А чтобы подключенный вольтметр не оказывал влияния на работу цепи, не вызывал бы снижения напряжения, не вызывал потерь, — он должен обладать достаточно высоким внутренним сопротивлением, чтобы током через вольтметр можно было бы пренебречь.
Добавочный резистор
И чтобы расширить пределы измерения вольтметра, последовательно с его рабочей обмоткой включается добавочный резистор, чтобы только часть измеряемого напряжения приходилась бы непосредственно на измерительную обмотку прибора, пропорционально ее сопротивлению. А при известном значении сопротивления добавочного резистора, по зафиксированному на нем напряжению легко определяется полное измеряемое напряжение, действующее в данной цепи. Так работают все классические вольтметры.
Коэффициент, появляющийся в результате добавления добавочного резистора, покажет, во сколько раз измеряемое напряжение больше напряжения, приходящегося на измерительную катушку прибора. То есть пределы измерения прибора зависят от величины добавочного резистора.
Добавочный резистор встраивается в прибор. Для снижения влияния температуры окружающей среды на измерения, добавочный резистор изготавливают из материала обладающего малым температурным коэффициентом сопротивления. Поскольку сопротивление добавочного резистора во много раз больше сопротивления прибора, то и сопротивление измерительного механизма прибора в итоге не зависит от температуры. Классы точности добавочных резисторов выражаются аналогично классам точности шунтов — в долях процентов обозначают величину погрешности.
Чтобы еще больше расширить пределы измерения вольтметров, применяют делители напряжения. Это делается для того, чтобы при измерении на прибор приходилось напряжение, соответствующее номиналу прибора, то есть не превышало бы предел на его шкале. Коэффициентом деления делителя напряжения называется отношение входного напряжения делителя к выходному, измеряемому напряжению. Коэффициент деления берут равным 10, 100, 500 и более, в зависимости от возможностей применяемого вольтметра. Делитель не вносит большой погрешности, если сопротивление вольтметра также высоко, а внутреннее сопротивление источника мало.
Измерение переменного тока
Чтобы точно измерить прибором параметры переменного тока, необходим измерительный трансформатор. Измерительный трансформатор, применяемый в целях измерений, к тому же дает персоналу безопасность, поскольку благодаря трансформатору достигается гальваническая развязка от цепи высокого напряжения. Вообще, техника безопасности запрещает подключать электроизмерительные приборы без таких трансформаторов.
Применение измерительных трансформаторов позволяет расширить пределы измерения приборов, то есть появляется возможность измерять большие напряжения и токи при помощи низковольтных и слаботочных приборов. Так, измерительные трансформаторы бывают двух типов: трансформаторы напряжения и трансформаторы тока.
Измерительный трансформатор напряжения
Чтобы измерить переменное напряжение применяют трансформатор напряжения. Это понижающий трансформатор с двумя обмотками, первичная обмотка которого присоединяется к двум точкам цепи, между которыми нужно измерить напряжение, а вторичная — непосредственно к вольтметру. Измерительные трансформаторы на схемах изображают как обычные трансформаторы.
Трансформатор без нагруженной вторичной обмотки работает в режиме холостого хода, и при подключенном вольтметре, сопротивление которого велико, трансформатор остается практически в этом режиме, и поэтому можно считать измеренное напряжение пропорциональным напряжению, приложенному к первичной обмотке, с учетом коэффициента трансформации, равного соотношению количеств витков во вторичной и первичной его обмотках.
Таким образом можно измерять высокое напряжение, при этом на прибор будет подаваться небольшое безопасное напряжение. Останется умножить измеренное напряжение на коэффициент трансформации измерительного трансформатора напряжения.
Те вольтметры, которые изначально предназначены для работы с трансформаторами напряжения, имеют градуировку шкалы с учетом коэффициента трансформации, тогда по шкале без дополнительных вычислений сразу видно значение измененного напряжения.
В целях повышения безопасности при работе с прибором, на случай повреждения изоляции измерительного трансформатора, один из выводов вторичной обмотки трансформатора и его каркас сначала заземляются.
Измерительные трансформаторы тока
Для подключения амперметров к цепям переменного тока служат измерительные трансформаторы тока. Это двухобмоточные повышающие трансформаторы. Первичная обмотка включается последовательно в измеряемую цепь, а вторичная — к амперметру. Сопротивление в цепи амперметра мало, и получается, что трансформатор тока работает практически в режиме короткого замыкания, при этом можно считать, что токи в первичной и вторичной обмотках относятся друг к другу как количества витков во вторичной и первичной обмотках.
Подобрав подходящее соотношение витков, можно измерять значительные токи, при этом через прибор всегда будут протекать токи достаточно малые. Останется умножить измеренный во вторичной обмотке ток на коэффициент трансформации. Те амперметры, которые предназначены для постоянной работы совместно с трансформаторами тока, имеют градуировку шкал с учетом коэффициента трансформации, и по шкале прибора без вычислений можно легко считать значение измеряемого тока. С целью повышения безопасности персонала, один из выводов вторичной обмотки измерительного трансформатора тока и его каркас сначала заземляются.
Во многих применениях удобны проходные измерительные трансформаторы тока, у которых магнитопровод и вторичная обмотка изолированы и расположены внутри проходного корпуса, через окно которого проходит медная шина с измеряемым током.
Вторичная обмотка такого трансформатора никогда не оставляется разомкнутой, ибо сильное увеличение магнитного потока в магнитопроводе может не только привести к его разрушению, но и навести на вторичной обмотке опасную для персонала ЭДС. Чтобы провести безопасное измерение, вторичную обмотку шунтируют резистором известного номинала, напряжение на котором будет пропорционально измеряемому току.
Для измерительных трансформаторов характерны погрешности двух видов: угловая и коэффициента трансформации. Первая связана с отклонением угла сдвига фаз первичной и вторичной обмоток от 180°, что приводит к неточным показаниям ваттметров. Что касается погрешности связанной с коэффициентом трансформации, то это отклонение показывает класс точности: 0,2, 0,5, 1 и т. д. — в процентах от номинального значения.
- Регулирование напряжения в цепях постоянного тока
- Способы соединения приемников электрической энергии
- От чего зависит длительно допустимый ток кабеля
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам
Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика
Как подключить амперметр к реостату
Цели: научиться мерить силу тока при помощи амперметра; сравнить величину электрического тока в различных частях замкнутой цепи.
Оборудование:
— источник тока;
— реостат;
— соединительные провода;
— лампочка на 3,5 В;
— амперметр.
Ход работы:
1. Собери цепь по схеме.
Такое подключение амперметра, лампочки и реостата (когда они следуют друг за другом подобно вагонам поезда) называется последовательным.
Внимание. Амперметр нельзя подключать напрямую к обоим выводам источника тока, как это делалось с вольтметром, так как амперметр попросту сгорит.
Перед включением источника в сеть попроси учителя проверить правильность подключения приборов.
Контакт «+» амперметра должен идти к плюсу источника тока, а «–» — к минусу!
(Если при включении стрелка амперметра отклоняется влево от нуля — он включен неверно, выводы амперметра следует поменять местами.)
2. Перемещая ползунок реостата, наблюдай за яркостью лампы и за показаниями амперметра.
3. Запиши, какая сила тока наблюдается при верхнем положении ползунка реостата (I 1 ); при среднем (I 2 ); при нижнем (I 3 ).
I 1 =
I 2 =
I 3 =
Запиши, как горела лампа в каждом случае.
4. Отсоедини амперметр и, не меняя положения ползунка реостата, подключи его между источником тока и реостатом, измерь силу тока на этом участке цепи:
I 4 =
Затем также измерь и запиши силу тока в участке цепи между реостатом и лампочкой:
I 5 =
5. Ответь письменно на вопросы:
Почему лампа горит слабее при нижнем положении ползунка реостата?
Какой вывод можно сделать из сравнения силы тока на различных участках цепи (I3, I4, I5)?
В чем отличие подключения амперметра и вольтметра?
Как подключить амперметр к реостату
Цель: изучить работу простейшего регулятора напряжения и научиться мерить напряжение в электрической цепи при помощи вольтметра.
Оборудование:
— источник тока;
— реостат;
— соединительные провода;
— лампочка на 3,5 В;
— вольтметр.
Ход работы:
1. Собери цепь по схеме.
Такое подключение вольтметра, лампочки и реостата (когда они соединены подобно ступенькам лестницы: одними концами — к одной половине, а другими — ко второй) называется параллельным.
Перед включением источника в сеть попроси учителя проверить правильность подключения приборов.
Контакт «+» вольтметра должен идти к плюсу источника тока, а «–» — к минусу!
(Если при включении стрелка вольтметра отклоняется влево от нуля — он включен неверно, выводы вольтметра следует поменять местами.)
2. Перемещая ползунок реостата, наблюдай за яркостью лампы и за показаниями вольтметра.
Запиши, какое напряжение на лампе наблюдается при верхнем положении ползунка реостата (U 1 ); при среднем (U 2 ); при нижнем (U 3 ).
Запиши, как горела лампа в каждом случае. Снова верни ползунок в среднее положение, чтобы вольтметр показывал напряжение U 2 .
3. Отсоедини вольтметр и подключи его к среднему и верхнему выводам реостата, измерь и запиши напряжение между ними:
Затем подключи вольтметр непосредственно к обоим выводам источника питания, измерь создаваемое им напряжение:
4. Ответь письменно на вопрос: какой вывод можно сделать из сравнения напряжений на обеих половинах реостата (U 2 и U 4 ) и напряжения источника
тока (U 0 )?
Как подключить амперметр к реостату
Несложная работа, но очень важная в познавательном плане. Она напоминает аналогичную работу 8 класса с похожим названием. Однако мы существенно изменили саму работу.
Во-первых, теперь эта работа состоит из двух частей: регулирование силы тока в цепи, к которой добавлено регулирование напряжения в цепи.
Во-вторых, по нашему мнению является недостаточным простое наблюдение за изменениями показаний амперметра в результате воздействия реостата на силу тока (для многих достаточно абстрактной величины). Здесь отсутствует практический аспект регулирования тока в цепи, который мы предлагаем реализовать с помощью наблюдения за накалом обыкновенной лампочки. Тогда наш ученик будет понимать, зачем ему надо знать, как регулируется ток в цепи.
Как было сказано выше, к этой работе мы сделали важное дополнение — регулирование напряжения, где в качестве индикатора процесса регулирования выбран светодиод, который имеет порог зажигания по напряжению. Такое добавление делает идею управления электрическими цепями полной (и ток, и напряжение). Умение управлять током и напряжением, а также сравнение способов управления (сходство и различие) составляет основное содержание этого варианта лабораторной работы. На это направлены и контрольные вопросы первой и второй части.
Светодиод мы берем заметного — красного цвета, последовательно с ним подпаиваем резистор (МЛТ-0,125 сопротивлением от 100 Ом до 1 кОм) и крепим каплей эпоксида (или иным способом) на старой подставке для лампочки. Провода светодиода выводим на уже имеющиеся клеммы от лампы и помечаем их знаками «+» и «-» для правильного подключения к цепи. Там же на подставке находим место, чтобы написать величину ограничительного сопротивления. Это будет важно в некоторых работах.
В качестве потенциометра для второй части можно использовать очень старую модель обычного школьного реостата из набора для л/р, который выпускался с тремя выводами. Можно изготовить и самому, подпаяв три провода к любому, не обязательно проволочному переменному резистору номиналом 50 . 200 Ом (например, СПЗ-40-М или лучше движковый, например, SL-20), приклеив его для удобства каплей эпоксида к квадратной подставке из пластика или дерева. На ось резистора нужно надеть удобную ручку для вращения оси (перемещения движка).
 |
 |
 |
| Резистор СПЗ-40-М | Резистор движковый СПЗ-23 | Ручка резистора |
Не удовлетворяясь тем, что ученик проделал по описанию работы, мы предлагаем ему ответить на такие контрольные вопросы, которые заставят его осознать то, чему он должен был научиться в этой работе, что должно способствовать переводу его новых знаний в фонд действующих. Для этого контрольные вопросы составлены так, чтобы заставить ученика проработать идеи регулирования напряжения и тока в деталях, а также произвести сравнение способов регулирования U и I.
 |
Л/р № 6. Регулирование силы тока в цепи. Регулирование напряжения в цепи. |
ЧАСТЬ I. Регулирование силы тока в цепи.
Цель первой части работы: Научиться регулировать силу тока в цепи.
Оборудование: Источник тока, реостат, лампочка, амперметр, вольтметр, ключ, соединительные провода.
Вводная часть: Как известно силу тока в участке цепи можно подсчитать так: I = U/R. Таким образом, меняя сопротивление цепи R (сопротивление реостата), можно будет регулировать силу тока I (т.е. увеличивать или уменьшать ее). Прибор, сопротивление которого можно менять, называется реостатом. Таким образом, силу тока в цепи регулируют реостатом.
Как устроен реостат? Известно, сопротивление R зависит от длины той части проводника, по которой течет ток: R = ρl /S. На этой зависимости и основано устройство реостата. Возьмите в руки реостат и рассмотрите его устройство. Обратите внимание на проволоку, намотанную на керамический каркас (на рис. слева показана голубым цветом). Она и создает сопротивление реостата. Меняя положение движка (смещая вправо/влево) можно менять длину той части проволоки, по которой проходит электрический ток (меняя длину l, меняем сопротивление R, а значит и силу тока I). Проведите пальчиком по реостату от левого проводка к правому, чтобы показать себе, каким путем ток проходит по реостату, если вы поняли, как это работает. Переместите движок реостата так, чтобы его сопротивление было наименьшим ( l = 0). Переместите движок реостата так, чтобы его сопротивление было наибольшим, проверяя каждый раз движением пальчика по реостату, большая или маленькая часть проволоки реостата будет задействована в цепи.
Ход первой части работы:
Попробуйте самостоятельно собрать схему (слева) и порегулировать силу тока реостатом, запишите результаты ваших исследований. В крайнем случае, смотри подсказку хода работы.
1. Соберите электрическую цепь по схеме (см. справа).
Ключ перед началом работы должен быть разомкнут, а реостат выведен на максимальное сопротивление.
Обратите внимание, потребитель тока (лампочка) всегда подключается последовательно к регулирующему силу тока элементу (реостату).
2. Включите цепь и снимите показания амперметра и вольтметра.
3. Начинайте передвигать движок реостата в сторону уменьшения сопротивления. Делайте это постепенно, до самого конца. Наблюдайте за показаниями амперметра. Одновременно наблюдайте за накалом лампочки при уменьшении сопротивления реостата. Как при этом меняются показания вольтметра?
4. Теперь начните перемещать движок реостата в обратную сторону. Как при этом меняются сила тока и накал лампочки? Как меняются показания вольтметра?
5. Сделайте вывод о том, как зависит сила тока и накал лампочки от сопротивления реостата. А также меняется ли заметным образом напряжение в цепи при изменении силы тока? Ответьте на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы к первой части:
1. Как можно увеличить (уменьшить) силу тока в цепи.
2. Для чего, например, бывает нужно менять силу тока?
3. Как можно уменьшить накал лампочки?
4. В какую сторону надо переместить движок реостата (см. рис. выше слева), чтобы увеличить сопротивление реостата?
5. В какую сторону надо переместить движок реостата (см. рис. выше слева), чтобы увеличить силу тока?
6. В какую сторону надо переместить движок реостата (см. рис. выше слева), чтобы увеличить накал лампы?
ЧАСТЬ II. Регулирование напряжения в цепи.
Цель второй части работы: Научиться регулировать напряжение на участке цепи.
Оборудование: Источник тока, потенциометр, светодиод, амперметр, вольтметр, ключ, соединительные провода.
Вводная часть: Напряжение на участке цепи регулируют потенциометром. Как известно напряжение на участке цепи можно подсчитать так: U =IR. Таким образом, меняя сопротивление участка цепи R (одной из ветвей потенциометра, например 2-3 в нашей схеме), можно будет менять напряжение U на этом участке цепи (между точками 2-3).
Потенциометр отличается от реостата тремя выводами для подключения в цепь, а не двумя, как у реостата.
Ход второй части работы:
Попробуйте самостоятельно собрать схему (слева) и порегулировать напряжение потенциометром, запишите результаты ваших исследований. В крайнем случае, смотри подсказку хода работы.
1. Соберите электрическую цепь по схеме (см. справа).
Ключ перед началом работы должен быть разомкнут, а потенциометр выведен на минимальное сопротивление (по схеме вправо).
Обратите внимание, потребитель напряжения (светодиод) подключается всегда параллельно к регулятору напряжения.
2. Включите цепь и снимите показания приборов: амперметра и вольтметра.
3. Начните перемещать движок потенциометра по схеме влево. Следите за показаниями амперметра и вольтметра. Как они меняются? При каком напряжении загорелся светодиод? Запишите это значение в лист отчета.
4. Теперь начните перемещать движок потенциометра по схеме вправо. Следите за показаниями амперметра и вольтметра. Как они меняются? При каком напряжении погас светодиод? Запишите это значение в лист отчета.
5. Сделайте вывод о том, как зависит напряжение от сопротивления правой части потенциометра (участок 2-3). А также меняется ли заметным образом сила тока в цепи при изменении напряжения? Ответьте на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы ко второй части:
1. Как можно увеличить (уменьшить) напряжение на участке цепи.
2. Для чего, например, бывает нужно менять напряжение?
3. Какими способами можно погасить светодиод?
4. В какую сторону надо переместить движок реостата (см. схему выше справа), чтобы увеличить напряжение?
5. В какую сторону надо переместить движок реостата (см. схему выше справа), чтобы зажечь светодиод?
6. В чем разница в подключении потребителей при регулировании силы тока и регулировании напряжения?