Как измерить силу тока амперметром: Сила тока. Амперметр — урок. Физика, 8 класс.

Содержание

Сила тока. Амперметр — урок. Физика, 8 класс.

В процессе своего движения вдоль проводника заряженные частицы (в металлах это электроны) переносят некоторый заряд. Чем больше заряженных частиц, чем быстрее они движутся, тем больший заряд будет ими перенесён за одно и то же время. Электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 секунду, определяет силу тока в цепи.

Сила тока \(I\) — скалярная величина, равная отношению заряда \(q\), прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени \(t\), в течение которого шёл ток.
I=qt, где \(I\) — сила тока, \(q\) — заряд, \(t\) — время.
Единица измерения силы тока в системе СИ — \([I]~=~1~A\) (ампер).

В 1948 г. было предложено в основу определения единицы силы тока положить явление взаимодействия двух проводников с током:


при прохождении тока по двум параллельным проводникам в одном направлении проводники притягиваются, а при прохождении тока по этим же проводникам в противоположных направлениях — отталкиваются.

За единицу силы тока \(1~A\) принимают силу тока, при которой два параллельных проводника длиной \(1\) м, расположенные на расстоянии \(1\) м друг от друга в вакууме, взаимодействуют с силой \(0,0000002\)H (рис. 1.).

  

Рис. 1. Определение единицы силы тока

  

Единица силы тока называется ампером (\(A\)) в честь французского учёного А.-М. Ампера (рис. 2).

 

Андре-Мари Ампер

(1775 — 1836)

Рис. 2. Ампер Андре-Мари

 

А.-М. Ампер ввёл термины: электростатика, электродинамика, соленоид, ЭДС, напряжение, гальванометр, электрический ток.


Ампер — довольно большая сила тока. Например, в электрической сети квартиры через включённую \(100\) Вт лампочку накаливания проходит ток с силой, приблизительно равной \(0,5A\). Ток в электрическом обогревателе может достигать \(10A\), а для работы карманного микрокалькулятора достаточно \(0,001A\).

Помимо ампера на практике часто применяются и другие (кратные и дольные) единицы силы тока, например, миллиампер (мА) и микроампер (мкА):
\(1 мA = 0,001 A\), \(1 мкA = 0,000001 A\), \(1 кA =1000 A\).
То есть \(1 A = 1000 мA\), \(1 A = 1000000 мкA\), \(1 A = 0,001 кA\).

Если электроны перемещаются в одном направлении, т.е. — от одного полюса источника тока к другому, то такой ток называют постоянным.

Переменным называется ток, сила и направление которого периодически изменяются.

В бытовых электросетях используют переменный ток напряжением \(220\) В и частотой \(50\) Гц. Это означает, что ток за \(1\) секунду \(50\) раз движется в одном направлении и \(50\) раз — в другом. У многих приборов имеется блок питания, который преобразует переменный ток в постоянный (у телевизора, компьютера и т.д.).

 

Силу тока измеряют амперметром. В электрической цепи он обозначается так:

Рис. 3. Схематичное изображение единицы силы тока

 

Амперметр включают в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить.

Обрати внимание!

Амперметр нельзя подсоединять к источнику тока, если в цепь не подключён потребитель!

Измеряемая сила тока не должна превышать максимально допустимую силу тока для измерения амперметром. Поэтому существуют различные амперметры (рис. 4), где измерительная шкала представлена с использованием кратных и дольных единиц 1 А (миллиампер — мА, микроампер — мкА, килоампер — кА).

 

Рис. 4. Изображение миллиамперметра

 

Различают амперметры для измерения силы постоянного тока и силы переменного тока (рис. 5).

Обозначения диапазона измерения амперметров:

  • «\(~\)» означает, что амперметр предназначен для измерения силы переменного тока; 
  • «\(—\)» означает, что амперметр предназначен для измерения силы постоянного тока.

Можно обратить внимание на клеммы прибора. Если указана полярность («\(+\)» и «\(-\)»), то это прибор для измерения постоянного тока.

Иногда используют буквы \(AC/DC\). В переводе с английского \(AC\) (alternating current) — переменный ток, а \(DC\) (direct current) — постоянный ток.

Для измерения силы постоянного тока

Для измерения силы переменного тока

Рис. 5. Амперметры для измерения силы постоянного и переменного токов

 

Для измерения силы тока можно использовать и мультиметр (рис. 6). Перед измерением необходимо прочитать инструкцию, чтобы правильно подключить прибор.

 

Рис. 6. Изображение мультиметра

 

Включая амперметр в цепь постоянного тока, необходимо соблюдать полярность (рис. 7):
  • провод, который идёт от положительного полюса источника тока, нужно соединять с клеммой амперметра со знаком «\(+\)»;

  • провод, который идёт от отрицательного полюса источника тока, нужно соединять с клеммой амперметра со знаком «\(-\)».

Если полярность на источнике тока не указана, следует помнить, что длинная линия соответствует плюсу, а короткая — минусу.

Рис. 7. Изображение электрической схемы (постоянный ток)

 

В цепь переменного тока включается амперметр для измерения переменного тока. Он полярности не имеет.

 

Амперметр подключается последовательно к тому прибору, на котором измеряется сила тока (рис. 7).

 

Безопасным для организма человека можно считать переменный ток силой не выше \(0,05~A\), ток силой более \(0,05\)-\(0,1~A\) опасен и может вызвать смертельный исход.

Источники:

Рис. 1. By Patrick Nordmann — http://schulphysikwiki.de/index.php/Datei:Definition_Ampere.png, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=91011035.

Рис. 2. By Ambrose Tardieu — The Dibner collection ::::::::::,,,;at the Smithsonian Institution (USA),, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6366734.

Рис. 3. Указание авторства не требуется, лицензия Pixabay, 2021-06-14, может использоваться в коммерческих целях, https://clck.ru/VVqyJ.

Рис. 4. Изображение миллиамперметра. © ЯКласс.

Рис. 5. Амперметры для измерения силы постоянного и переменного токов. © ЯКласс.

Рис. 6. Multimeter with probes on white, CC BY 2.0, 2021-06-14, https://www.flickr.com/photos/[email protected]/50838190626/in/photostream/.

Рис. 7. Изображение электрической схемы (постоянный ток). © ЯКласс.

Как измерять силу тока в электрической цепи амперметром самостоятельно

С какой целью может потребоваться замер силы тока? Какова для нас полезность от того, что станет известным количество заряженных частиц, протекающих через единицу сечения в единицу времени? Польза есть, и ценной этой информации велика!

При использовании только лишь амперметра можно быстро узнать правильность монтажа и избегнуть издержек на смену или починку испорченного электрооборудования. Показания амперметра подскажут: имеется ли в схеме короткое замыкание или другие утечки и неполадки. Знание тока потребления не станет лишним, при выборе того или иного предохранителя.

Характеристики тока

Постоянный ток характеризуют два основные параметра — сила тока и напряжение. Сила тока — это, просто число частиц, которые двигаются в проводнике в определенном направлении. Чем больше этих частиц, тем больше работа электрического тока.

Силу тока измеряют в амперах (необходимо знать, что микроампер — одна миллионная ампера, миллиампер — одна тысячная часть ампера).

Силу тока измеряют — амперметром. Амперметр необходимо включать в последовательно с токоприемником.

Кроме постоянного тока существует переменный ток. Переменный ток со временем меняет свои направление и амплитуду. Генераторы электроэнергии вырабатывают переменный ток. Переменный ток изменяется во времени по синусоидальному закону. Для его характеристики имеются дополнительные параметры —амплитуда и частота.

Приборы для измерения силы тока

Мультиметр это — специальный измерительное устройство , выполняющее ряд функций. В малом комплекте это: омметр, вольтметр, амперметр . Для простых задач более всего годятся миниатюрные модели мультиметров с цифровой шкалой.В современных экземплярах легкодоступны следующие функции:

  • Измерение постоянного/переменного напряжения от 400 мВ до 1000 В;
  • Измерение постоянного/переменного тока от 42 пА до 10 А;
  • Прозвонка —замер электрического сопротивления с оповещением о низком сопротивлении цепи;
  • Измерение сопротивления ? испытание диодов — испытание целостности полупроводниковых диодов и установление их «прямого напряжения»;
  • Замер электрической емкости, замер электрической индуктивности, температур;
  • Замер частоты сигнала гармонического.

Замер силы постоянного тока состоит в определении его значения и полярности. Для проведения прямых замеров постоянного электротока нередко употребляются магнитоэлектрические амперметры. По сопоставлению с другими амперметрами амперметры магнитоэлектрические – гарантируют наибольшую точность измерений и обладают максимальной чувствительностью .

Спектр значений измеряемых токов для амперметров магнитоэлектрической схемы располагается в пределах от 10-7 А до 50А (при измерении токов больше 0,05А используются внутренние шунты). Для замера значительных постоянных токов(от 50А до многих килоампер) применяются килоамперметры с наружными шунтами и магнитоэлектрические амперметры . Для замеров малых токов (в пределах от 10-12А) часто применяются магнитоэлектрические гальванометры.

Замер постоянного тока с увеличенной точностью делается косвенным способом. Для этого типовой резистор подключается в цепь измеряемого тока и на нем с помощью высокоточного цифрового вольтметра или компенсатора измеряется падение напряжения . Точно так же (применяя преобразование ток-напряжение) действуют цифровые и электронные аналоговые амперметры

Методика замеров

Что бы замерить силу постоянного тока, нужно один вывод амперметра, тестера или мультиметра подключить к плюсовой клемме аккумулятора или выводу питания трансформатора, а второй вывод- к проводу, подключенному к токоприемнику. После включения режима измерения постоянного тока с запасом по верхнему максимальному пределу- совершать замеры.

Необходимо работать аккуратно, т.к. при размыкании действующей цепи появляется дуга, значение которой увеличивается совместно с силой тока.

Для того что бы замерить ток для токоприемников, подключаемых прямо в розетку или к электрокабелю от домашней электросети, измерительное устройство переключается в режим замеров переменного тока с запасом по верхнему пределу. Далее прибор включаются в разрыв фазного провода.

Профессиональные электрики используют для замера силы тока токоизмерительные клещи.Они нечасто поставляются в одном корпусе с мультиметром.

Измерять ими элементарно — подключаем и переводим в режим замера переменного тока, далее разводим находящиеся сверху усы и пропускаем вовнутрь фазный провод, после этого следим что бы они плотно легли к друг другу и выполняем замеры.

Правила безопасности

Работу с электроизмерительными инструментами можно проводить только лицам имеющим группу по электробезопасности не ниже третьей, или под контролем этих лиц.

Необходимо иметь медицинскую аптечку и уметь ею пользоваться.

Небезопасное и вредоносное действие электротока, электромагнитных полей и электрической дуги приводит к тяжелым последствиям.

Ступень опасности и вредоносного действия на человека поражающих факторов электротока, лежит в зависимости от:

  • Величины напряжения и рода тока ;
  • Частоты колебаний электротока;
  • Пути прохождения электротока чрез тело пострадавшего человека;
  • Длительности воздействия электротока на организм пострадавшего человека;

При возникновении несчастных случаев с людьми, обесточивание участке электроцепи для избавления пострадавшего от поражающего действия электрического тока необходимо совершать немедленно , не дожидаясь предварительного разрешения.

Амперметр. Измерение силы тока — Технарь

Силу тока в цепи измеряют приборами, называемыми амперметрами. Амперметр, в устройстве которого используется механическое действие тока, — это тот же рассмотренный уже нами гальванометр, только приспособленный для измерения силы тока. Он устроен так, что включение его в цепь практически не изменяет силы тока в 1 цепи.

Амперметр, используемый в школьных опытах, показан на рисунке 248, а, в лабораторных работах — на рисунке 248, в, технический амперметр — на рисунке 8. На шкале амперметра обычно ставят букву А, на схемах амперметр изображают в виде кружка с буквой А внутри (рис. 248, б).

Шкалу амперметра градуируют в амперах и долях ампера обычно по показаниям точных образцовых амперметров. Каждый амперметр рассчитан на некоторую наибольшую силу тока, превышать которую нельзя, так как прибор может испортиться.

При измерении силы тока амперметр включают в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить. Включают амперметр в цепь с помощью двух клемм, или зажимов, имеющихся на приборе. У одной из клемм амперметра стоит знак «плюс» («+»), у другой — «минус» («—») (иногда знака «минус» нет). Клемму со знаком «+» нужно обязательно соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока.

При измерении силы тока амперметр можно включать в любое место цепи, состоящей из ряда последовательно соединенных проводников, так как сила тока во всех точках цепи одинакова. Если включить один амперметр в цепь до лампы, другой после, то оба они покажут одинаковую силу тока (рис. 249).

Сила тока — очень важная характеристика электрической цепи. Работающим с электрическими цепями надо знать, что для человеческого организма безопасным считается ток до 1 мА. Сила тока больше 100 мА приводит к серьезным поражениям организма.

Вопросы. 1. Как называют прибор для измерения силы тока? 2. В каких единицах градуируют шкалу амперметра? 3. Как включают амперметр в цепь?

Упражнения. 1. При включении в цепь амперметра так, как показано на рисунке 250, а, сила тока была 0,5 A, Каковы будут показания амперметра при включении его в ту же цепь так, как изображено на рисунке 250,6? 2. Как можно проверить правильность показаний амперметра с помощью другого амперметра, точность показаний которого проверена? 3. Рассмотрите амперметры, данные на рисунках 248, 249. Определите цену деления шкалы каждого амперметра. Какую наибольшую силу тока могут они измерять? Перерисуйте шкалу амперметра (рис. 248, а) в тетрадь и покажите, каково будет положение стрелки при силе тока 0,3 и 1,5 A. 4. Имеется точный амперметр. Как, пользуясь им, нанести шкалу на другой, еще не проградуированный амперметр?

Задание

Подготовьте доклады на темы:

Электролиз. Применение электролиза в технике: рафинирование меди, добывание, алюминия, гальваностегия, гальванопластика, открытие Якоби.

Прибор для измерения силы тока. Как измерить силу тока мультиметром

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Ток или силу тока определяют количеством электронов, проходящих через точку или элемент схемы в течение одной секунды. Так, например, через нить накала горящей лампы накаливания карманного фонаря ежесекундно проходит около 2 000 000 000 000 000 000 (два триллиона) электронов. Однако на практике измеряется не количество электронов, а их движение, выраженное в амперах (А).

Ампер – это единица электрического тока, которую так назвали в честь французского физика и математика А. Ампера изучавшего взаимодействие проводников с током. Экспериментально установлено, что при токе в 1А через точку или элемент схемы проходит около 6 250 000 000 000 000 000 электронов.

Помимо ампера применяют и более мелкие единицы силы тока: миллиампер (мA), равный 0,001 А, и микроампер (мкA), равный 0,000001 А или 0,001 мА. Следовательно: 1 А = 1000 мА = 1 000 000 мкА.

1. Прибор для измерения силы тока.

Как и напряжение, ток бывает постоянный и переменный. Приборы, служащие для измерения тока, называют амперметрами, миллиамперметрами и микроамперметрами. Так же, как и вольтметры, амперметры бывают стрелочными и цифровыми.

На электрических схемах приборы обозначаются кружком и буквой внутри: А (амперметр), мА (миллиамперметр) и мкА (микроамперметр). Рядом с условным обозначением амперметра указывается его буквенное обозначение «» и порядковый номер в схеме. Например. Если амперметров в схеме будет два, то около первого пишут «PА1», а около второго «PА2».

Для измерения тока амперметр включается непосредственно в цепь последовательно с нагрузкой, то есть в разрыв цепи питания нагрузки. Таким образом, на время измерения амперметр становится как бы еще одним элементом электрической цепи, через который протекает ток, но при этом в схему амперметр никаких изменений не вносит. На рисунке ниже изображена схема включения миллиамперметра в цепь питания лампы накаливания.

Также надо помнить, что амперметры выпускаются на разные диапазоны (шкалы), и если при измерении использовать прибор с меньшим диапазоном по отношению к измеряемой величине, то прибор можно повредить. Например. Диапазон измерения миллиамперметра составляет 0…300 мА, значит, силу тока измеряют только в этих пределах, так как при измерении тока свыше 300 мА прибор выйдет из строя.

2. Измерение силы тока мультиметром.

Измерение силы тока мультиметром практически ни чем не отличается от измерения обыкновенным амперметром или миллиамперметром. Разница состоит лишь в том, что у обычного прибора всего один диапазон измерения, рассчитанный на определенную максимальную величину тока, тогда как у мультиметра диапазонов несколько, и перед измерением приходится определять каким из диапазон пользоваться в данный момент.

Обычные мультиметры, не профессиональные, рассчитаны на измерение постоянного тока и имеют четыре поддиапазона, что на бытовом уровне вполне достаточно. У каждого поддиапазона есть свой максимальный предел измерения, который обозначен цифровым значением:

2m, 20m, 200m, 10А. Например. На пределе «20m» можно измерять постоянный ток в диапазоне 0…20 мА.

Для примера измерим ток, потребляемый обычным светодиодом. Для этого соберем схему, состоящую из источника напряжения (пальчиковой батарейки) GB1 и светодиода VD1, а в разрыв цепи включим мультиметр РА1. Но перед включением мультиметра в схему подготовим его к проведению измерений.

Измерительные щупы вставляем в гнезда мультиметра, как показано на рисунке:

красный щуп называют плюсовым, и вставляется он в гнездо, напротив которого изображены значки измеряемых параметров: «VΩmA»;
черный щуп является минусовым или общим и вставляется он в гнездо, напротив которого написано «

СОМ». Относительно этого щупа производятся все измерения.

В секторе измерения постоянного тока выбираем предел «2m», диапазон измерения которого составляет 0…2 мА. Подключаем щупы мультиметра согласно схеме и затем подаем питание. Светодиод загорелся, и его потребление тока составило 1,74 мА. Вот, в принципе, и весь процесс измерения.

Однако этот вариант измерения подходит тогда, когда величина потребления тока известна. На практике же часто возникает ситуация, когда необходимо измерить ток на каком-либо участке цепи, величина которого неизвестна или известна приблизительно. В таком случае измерение начинают с самого высокого предела.

Предположим, что потребление тока светодиодом неизвестно. Тогда переключатель переводим на предел «200m», который соответствует диапазону 0…200 мА, и после этого щупы мультиметра включаем в цепь.

Затем подаем напряжение и смотрим на показания мультиметра. В данном случае показания тока составили «

01,8», что означает 1,8 мА. Однако нолик впереди указывает на то, что можно снизиться на предел «20m».

Отключаем питание. Переводим переключатель на предел «20m». Включаем питание и опять производим измерение. Показания составили 1,89 мА.

Часто бывает ситуация, когда при измерении тока или напряжения на индикаторе появляется единица. Единица говорит о том, что выбран низкий предел измерения и он меньше величины измеряемого параметра. В этом случае необходимо перейти на предел выше.

Также может возникнуть момент, когда измеряемый ток выше 200 мА и необходимо перейти на предел измерения «10А». Однако здесь есть нюанс, который надо запомнить. Помимо того, что переключатель переводится на предел «10А», еще также необходимо переставить плюсовой (красный) щуп в крайнее левое гнездо, напротив которого стоит цифро-буквенное значение «10А», указывающее, что это гнездо предназначено для измерения больших токов.

И еще совет. Возьмите за правило: когда закончите все измерения на пределе «10А» сразу же переставляйте плюсовой (красный) щуп на свое штатное место. Этим Вы сбережете себе нервы, щупы и мультиметр.

Ну вот, в принципе и все, что хотел сказать об измерении тока мультиметром. Главное понимать, что при измерении напряжения вольтметр подключается параллельно нагрузке или источнику напряжения, тогда как при измерении силы тока амперметр включается непосредственно в цепь и через него протекает ток, которым питаются элементы схемы.

Ну и в качестве закрепления прочитанного предлагаю посмотреть видеоролик, в котором на примере схем рассказывается об измерениях напряжения и силы тока мультиметром.

Удачи!

Как измерить силу тока мультиметром: постоянного и переменного тока

Для проведения расчетов и подбора необходимых элементов электрической цепи часто требуется измерить силу тока в ней. Сделать это можно с помощью расчетов, но наиболее простой способ — это использование специальных приборов.

Чем можно измерить силу тока

Чтобы определить мощность потребления и силу тока, требуется электрический измерительный прибор, который может измерять эти параметры с учетом особенностей переменного и постоянного тока. Типов таких устройств существует всего два:

Стационарные амперметры
  • Амперметр — специальное устройство для измерения исключительно силы тока в цепи. Амперметр включается в тестируемую цепь последовательно с потребителями электрического тока. На шкале прибора, помимо основных значений, в амперах используются также миллиамперы. На ампераж нужно обращать особое внимание. Существуют электронные и механические варианты устройства.
Обычный амперметр
  • Мультиметр — это электронное измерительное устройство, которое помогает мерить различные параметры цепи (сопротивление, напряжение, разомкнутая цепь, пригодность для аккумулятора, включая и силу тока).
Мультиметр

Что такое мультиметр?

Мультиметр — это универсальное комбинированное измерительное устройство, которое объединяет функции нескольких измерительных устройств, то есть измеряет практически все показатели цепи. Самый маленький набор функций мультиметра — это измеритель напряжения, силы заряда и сопротивления. Однако современные производители не останавливаются на достигнутом, а вместо этого добавляют ряд функций, таких как емкостное измерение конденсаторов, частоты тока, проверку диодов (измерение падения напряжения на pn-переходе), звуковых датчиков, измерений температуры и измерения определенных параметров транзистора, встроенный генератор низких частот и многое другое.

Мультиметр может быть:

  • Аналоговый. В этом типе приборов присутствует индикатор, который имеет несколько шкал (по одной на каждый вид измерения). Аналоговые тестеры имеют ряд недостатков, в первую очередь — это большие ошибки и погрешности в измерении. В конструкцию многих моделей включен специальный подстраиваемый резистор, который при правильной настройке несколько улучшает работу прибора, повышая точность выдаваемых результатов. Но все же сейчас большее распространение получили цифровые модели.
  • Цифровой. Единственная внешняя разница между цифровым устройством и аналоговым устройством — это экран, который численно представляет измеренные параметры. Старые модели оснащены дисплеем из светодиодов, более новые варианты оснащены жидкокристаллическим экраном. Недостатком этих устройств является то, что они имеют высокую стоимость: их цена в несколько раз превышает стоимость аналогового тестера.
Подключение различных мультиметровых приборов в цепь

Требования для измерения силы тока

Чтобы померить силу заряда в розетке, нужно обязательно следить за выполнением некоторых требований:

  • Важным условием для измерения силы тока является включение резисторов или обычных ламп в цепь ограничения сопротивления. Этот элемент защитит прибор от нагрева и возгорания из-за слишком большой нагрузки.
  • Если текущая сила в цепи не отображается на индикаторе, выбранное предельное значение является неправильным и должно быть уменьшено на одну позицию. (Так надо продолжать до тех пор, пока на экране не появится истинное значение). Требуется быстрое измерение — время контакта с кабелем составляет менее одной или двух секунд. Это особенно актуально для аккумуляторов с низким энергопотреблением.

Важно! Предел выбирается с учетом наибольших возможных отклонений полученных измерений от ожидаемого результата.

Приборы для измерения силы тока должны также соответствовать утвержденным стандартам ГОСТа:

  • показывающие устройства должны иметь точность в пределах от 1 до 2,5,
  • приборы на подстанциях допускаются 4 класса точности,

Класс по точности приборов, установленных на трансформаторах указаны в таблице:

Класс прибораКласс измерительных трансформаторовКласс шунта и добавочного сопротивления
4,03,0
2,51,0 (3,0)0,5
1,50,5 (1,0)0,5
1,00,50,5
0,50,20,2

Как проверить силу тока

Измерение силы постоянного и переменного тока не имеет кардинальных отличий, но все же данные операции имеют свои тонкости.

Наглядная схема подключения амперметра

Постоянный ток

Измерение постоянного тока выполняется в несколько несложных этапов:

  1. На мультиметре требуется изменить положение красного щупа. Если неизвестно даже приблизительное значение силы в цепи, то из соображений безопасности и сохранности прибора придется выбрать наибольшее значение.
  2. Регулятор нужно поставить в положение из сектора «А», выбрав самый подходящий предел значений.
  3. Последовательно подключить мультиметр к цепи, где должно быть измерено текущее значение.
  4. Далее необходимо включить питание и наблюдать за появлением числовых значений на цифровом табло.

Как проверить переменный ток мультиметром

В случае, когда должна измеряться сила переменного электричества, требуется поставить регулятор в соответствующее положение, также предварительно выбрав предел. Далее процесс измерения ничем не отличается от нахождения силы постоянного заряда.

Измерение силы переменного тока

Меры безопасности

Процесс измерения тока с помощью мультиметра несложен. При его прохождении требуется соблюдение определенных норм безопасности:

  • Перед непосредственным проведением измерительных работ необходимо обесточить цепь.
  • Также периодически нужно проводить проверку изоляции кабеля — иногда он может повредить сам себя при длительном использовании и привести к значительному увеличению вероятности поражения электрическим током.
  • Использовать при проведении любых ремонтных, монтажных и измерительных работах только резиновые перчатки, которые обладают изоляционными свойствами.
  • В помещениях с высоким уровнем влажности воздуха запрещается проведение измерительных работ. Дело в том, что влага обладает высокой электропроводностью, и риск удара током возрастает. При ударе током незамедлительно нужно сообщить об этом в скорую помощь или экстренную службу.
  • Проводить работы с электричеством лучше вдвоем.
  • После завершения всех работ можно обратно включить питание.

Замер силы тока проводится амперметром или мультиметром. При использовании последнего важно правильно выбрать режим работы и предел, которого может достигнуть ток в цепи. Оба эти прибора боятся высокого напряжения.

Амперметр. Измерение силы тока

Амперметр — это прибор для измерения силы тока в цепи.

Поскольку сила тока проходит через всю цепь, то амперметр подключается к цепи так, что через него проходит ток. Таким образом, на шкале амперметра отображается сила тока в амперах, и при этом амперметр не влияет на ток.

Как и на любом приборе, на шкале амперметра отмечено самое большое число. Это значит, что это максимальное значение силы тока, на которое рассчитан данный прибор. Если сила тока в цепи превышает это значение, то амперметр к ней подключать нельзя, иначе можно испортить прибор.

Существует последовательное, параллельное и смешанное подключение, о которых подробнее мы поговорим немного позже. Последовательное подключение — это такое подключение, при котором конец одного проводника соединён с началом другого. При таком подключении, сила тока во всей цепи одинакова, поскольку через любое поперечное сечение проходит одинаковый заряд за одну секунду. Именно поэтому амперметр подключают к цепи последовательно с тем прибором, силу тока в котором измеряют.

У амперметра есть две клеммы, у одной из которых стоит знак «+». Эту клемму нужно обязательно соединять с проводом, идущим от положительного полюса. Сила тока — очень важная характеристика электрической цепи. Именно ей характеризуется степень опасности для человека. Даже 100 мА приводит к серьёзным повреждениям, при поражении человеческого тела.

Упражнения.

Задача 1. Через лампочку проходит 300 мА. Если включить в цепь два амперметра: до и после лампочки, то насколько будут различны их показания?

Амперметр подключается к цепи последовательно, а при таком подключении, сила тока на всех участках цепи одинакова, поэтому и тот и другой амперметр покажет 300 мА.

Задача 2. На рисунке показана электрическая цепь, в которую включены два амперметра. Определите максимальное значение на шкале второго амперметра.

Поскольку первый амперметр показывает, что ток в цепи составляет два ампера, то такое же показание будет и на втором амперметре. Но, для первого амперметра два ампера — это максимальное значение, а на втором амперметре стрелка стоит ровно посередине. Значит, два ампера — это половина максимального значения. Поэтому максимальное значение для второго амперметра будет составлять четыре ампера.

Задача 3. К электрической цепи подключили амперметр и лампочку, так, как показано на рисунке. Каковы будут показания амперметра, если через лампочку проходит ток 80 мА?

Точно ответить на этот вопрос нельзя, потому что на рисунке амперметр подключен к цепи неправильно, а, значит, его показания тоже будут неверны.

Физика 8 класс. Измерение силы тока и напряжения. Измерение работы и мощности тока :: Класс!ная физика

Физика 8 класс. ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ ТОКА В УЧАСТКЕ ЦЕПИ

Для измерения силы тока существует измерительный прибор — амперметр.


Условное обозначение амперметра на электрической схеме:

При включении амперметра в электрическую цепь необходимо знать :

1. Амперметр включается в электрическую цепь последовательно с тем элементом цепи,
силу тока в котором необходимо измерить.

2. При подключении надо соблюдать полярность: «+» амперметра подключается к «+» источника тока,
а «минус» амперметра — к «минусу» источника тока.

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ
НА УЧАСТКЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

Для измерения напряжения существуют специальный измерительный прибор — вольтметр.


Условное обозначение вольтметра на электрической схеме:

При включении вольтметра в электрическую цепь необходимо соблюдать два правила:

1. Вольтметр подключается параллельно участку цепи, на котором будет измеряться напряжение;


2.Соблюдаем полярность: «+» вольтметра подключается к «+» источника тока,
а «минус» вольтметра — к «минусу» источника тока.

___

Для измерения напряжения источника питания вольтметр присоединяют непосредственно к его зажимам.


ИЗМЕРЕНИЕ РАБОТЫ И МОЩНОСТИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Для определения работы или мощности тока можно использовать специальный измерительный прибор — ваттметр.
При отсутствии ваттметра пользуются одновременным подключением двух измерительных приборов к нужному участку цепи: амперметра и вольтметра.

Далее проводится расчет работы и мощности тока по формулам.

P = UI ……… и ……. A = UIt

ОПРЕДЕЛИ !

1. Что изменилось на участке цепи, если включенный параллельно вольтметр
показывает уменьшение напряжения?

___

2. Какими способами можно определить напряжение в городской сети,
имея в своем распоряжении любые приборы, кроме вольтметра?

Устали? — Отдыхаем!

Как измерить ток в цепи с помощью амперметра

Ток является мерой скорости потока электрических зарядов по проводнику. Измеряется в единицах Ампер. Это измерение тока в цепи в основном выполняется амперметром .

Амперметр

Амперметр измеряет электрический ток в цепи. Название происходит от единицы измерения силы тока в системе СИ — ампера. Чтобы измерить электрический ток в цепи, амперметр должен быть подключен последовательно, потому что при последовательном соединении амперметр испытывает то же самое количество тока, которое протекает в цепи.Амперметр предназначен для работы с малыми долями вольта. Поэтому падение напряжения должно быть минимальным.

Обозначение амперметра

Заглавная буква А обозначает амперметр в цепи.

Символ амперметра

Как пользоваться амперметром

Прежде чем мы начнем измерять ток, мы сначала установим диапазон амперметра. Поддержание максимального диапазона предотвратит перегорание внутреннего предохранителя амперметра. Затем установите тип тока, т. е. постоянный или переменный ток.

Теперь соедините клеммы амперметра последовательно с сопротивлением или нагрузкой.При таком расположении амперметр испытывает такое же количество тока, которое протекает в цепи. Например, предположим простую схему; лампочка подключена к аккумулятору. Положительная клемма батареи подключается к положительной клемме лампы, а отрицательная клемма батареи подключается к отрицательной клемме лампы.

Теперь отсоедините любую клемму лампочки и подключите амперметр так, чтобы один щуп амперметра был подключен к аккумулятору, а другой к лампочке.

Теперь вы можете наблюдать за показаниями амперметра, и это количество тока, протекающего в вашей цепи.

Теперь, когда вы записали показания амперметра, отключите амперметр и подключите провода, как в простой схеме обратно.

ОСТОРОЖНО:

Для измерения тока необходимо принять некоторые меры предосторожности. Не подключайте щупы вашего амперметра напрямую к батарее, чтобы проверить ток этой батареи. Это вызовет короткое замыкание в амперметре, а иногда это может привести к перегоранию внутреннего предохранителя амперметра.Поэтому, пожалуйста, не выполняйте эту деятельность.

Если вы хотите проверить ток батареи. Добавьте сопротивление к аккумулятору и последовательно подключите амперметр. Показания будут правильными и точными, волноваться не о чем.

Шунт амперметра

Другие методы измерения силы тока


Магнитный метод

Магнитный метод, мы используем эффект Холла для измерения тока. Когда провод лежит с потоком электронов, внутри него течет некоторый ток.Но в них нет электрического потенциала. Если этот провод поместить внутрь магнитного поля, разность потенциалов возникает перпендикулярно магнитному полю и направлению тока. Эта разность потенциалов будет прямо пропорциональна текущему потоку. Здесь заряды взаимодействуют с магнитным полем, вызывая изменение распределения тока, что создает напряжение Холла.

Преимущество этого магнитного метода заключается в том, что он позволяет измерять большие токи.

  Измерение тока с помощью гальванометра

Гальванометр — это устройство, которое используется только для определения наличия тока в цепи. Отклонение в гальванометре дает направление тока, т.е. если отклонение вправо; ток течет в правильном направлении и наоборот. В гальванометре параллельно с катушкой гальванометра подключено соответствующее шунтирующее сопротивление, чтобы превратить его в амперметр для измерения тока.

Эти два метода широко используются помимо измерения с помощью амперметра.

Итак, вот как вы должны использовать амперметр со всеми предосторожностями и мерами. Амперметр сделал расчет тока в электрических устройствах очень простым, и теперь с помощью амперметра мы можем измерять малые токи в мА (миллиамперах) до больших токов в кА (килоамперах).

Как работает амперметр?

Обновлено 22 декабря 2020 г.

Автор S. Hussain Ather

Амперметр чаще всего используется для измерения силы тока.Поскольку единицей измерения электрического тока в СИ является ампер, прибор, используемый для измерения тока, называется амперметром.

Существует два вида электрического тока: постоянный ток (DC) и переменный ток (AC). Постоянный ток посылает ток в одном направлении, в то время как переменный ток меняет направление тока через равные промежутки времени.

Амперметр Функция

Амперметры предназначены для измерения электрического тока путем измерения тока через набор катушек с очень низким сопротивлением и индуктивным сопротивлением.Это обеспечивает очень низкий импеданс, силу, противодействующую электрическому току, что позволяет амперметру точно измерять ток в цепи без помех или изменений из-за самого амперметра.

В амперметрах с подвижной катушкой движение возникает из-за неподвижных магнитов, которые противодействуют току. Затем механизм вращает расположенный в центре якорь, прикрепленный к циферблату индикатора. Этот циферблат установлен над градуированной шкалой, которая позволяет оператору узнать, сколько тока проходит через замкнутую цепь.

При измерении тока в цепи необходимо последовательно подключить амперметр. Низкий импеданс амперметров означает, что он не будет терять большую мощность. Если амперметр был подключен параллельно, путь может стать коротким, так что весь ток будет течь через амперметр, а не через цепь.

Основное требование к любому измерительному прибору состоит в том, что он не должен изменять измеряемую физическую величину. Например, амперметр не должен изменять первоначальный ток.Но на практике это невозможно. В электрической цепи начальный ток до подключения амперметра равен I 1 = E/R . Предположим, что внутреннее сопротивление ячейки равно нулю.

Амперметры и гальванометры

Гальванометры определяют силу и направление слабых токов в цепях. Стрелка, прикрепленная к катушке, перемещается по шкале. Затем весы калибруются для считывания тока в амперах.

Гальванометры требуют магнитного поля, а амперметры могут работать без него.Хотя гальванометр имеет гораздо большую точность, чем амперметр, он не так точен. Это означает, что гальванометры могут быть очень чувствительны к небольшим изменениям тока, но этот ток может быть далек от фактического значения.

Гальванометры могут измерять только постоянный ток, поскольку им требуется сила электрического тока в магнитном поле, в то время как амперметры могут измерять как постоянный, так и переменный ток. Амперметры постоянного тока используют принцип подвижной катушки, в то время как амперметры переменного тока измеряют изменения в движении куска железа под действием электромагнитной силы фиксированного провода катушки.

Шунтовое сопротивление

При параллельном подключении гальванометра к очень маленькому шунтирующему резистору можно перенаправить ток через шунт, и через гальванометр будет проходить только очень небольшой ток. Таким образом, гальванометр можно приспособить для измерения больших токов, чем в противном случае. Шунт защищает гальванометр от повреждений, обеспечивая альтернативный путь протеканию тока.

Пусть G — сопротивление гальванометра, а ​ I g ​ – максимальный ток, который можно пропустить через него для отклонения на полную шкалу.Если I представляет собой измеряемый ток, то только часть ​ I g ​ должна проходить через G для полного отклонения шкалы, а оставшаяся часть ​ (I – I g ) ​ должна проходить через шунт .

Правильное значение сопротивления шунта ​ S ​ рассчитывается путем параллельного рассмотрения ​ G ​ и ​ ​ S ​. Следовательно,

S=\frac{I_GG}{I-I_G}

Это уравнение дает значение сопротивления шунта.

Эффективное сопротивление амперметра определяется следующим образом:

R_{eff}=\frac{1}{1/G+1/S}=\frac{GS}{G+S}

Как и что Измеряет ли амперметр – Wira Electrical

Три основных измерительных прибора для электрических устройств: вольтметры, амперметры и омметры.Вы должны были использовать эти инструменты, не один или два из них, а все. Не может быть, чтобы у инженера-электрика не было опыта в этих вещах. Они в основном просты в эксплуатации и изготовлении, но пока давайте сосредоточимся на амперметрах. По этой причине мы сейчас узнаем, что измеряет амперметр.

Амперметр — это прибор для измерения силы тока в электрической цепи или, точнее, потока электричества. Подобно тому, что мы прочитали в основном объяснении электрической цепи, единица измерения электрического тока в Амперах с символом «А».

Таким образом, амперметр или амперметр является инструментом для измерения силы тока в цепи. Вам не нужно удивляться, если вы найдете «амперметр», потому что люди часто ошибаются.

Звучит очень похоже, но правильно — «амперметр». Странный? Но что есть, то есть. Это не то чтобы серьезно неправильно, но звучит так странно.

Что такое амперметр

Электрический ток имеет единицу СИ Ампер, поэтому его измерительный инструмент называется Амперметр или просто Амперметр.Несмотря на то, что существует два типа тока: переменный ток и постоянный ток, амперметр без проблем измеряет оба.

Из этого краткого объяснения мы делаем вывод из вопроса:

Что измеряет амперметр?
Амперметр используется для измерения электрического тока в электрической цепи, измеряемого в Амперах (А).

Амперметр выполнен с использованием подвижной катушки со стрелкой, перемещаемой гальванометром. Не перепутайте его с вольтметром при подключении к электрической цепи.Вы должны подключить амперметр последовательно с элементом цепи. Амперметр спроектирован таким образом, чтобы внутри него было очень низкое сопротивление.

Почему?

Используя закон Ома, где I = V/R, очевидно, что нам нужно, чтобы сопротивление было как можно меньше, потому что мы не хотим изменять текущее значение. Представьте схему ниже, схема имеет источник напряжения 10 В и резистор 2 Ом. Мы добавим резистор 0,5 Ом в качестве сопротивления амперметра.

Даже если на амперметре 0.5 Ом, это все равно повлияет на ток в цепи. Предполагается, что ток внутри цепи составляет 10/2 = 5 А. Амперметр с сопротивлением 0,5 Ом уменьшит ток до 10/2,5 = 4 А.

Конечно, это пустая трата времени.

Теперь вы понимаете, почему амперметр рассчитан на очень маленькое сопротивление, близкое к нулю.

Чтобы не влиять на значение тока, в амперметре используется небольшой резистор, подключенный параллельно гальванометру. Цель этой конструкции состоит в том, чтобы весь ток протекал через резистор.

Почему?

Как вы уже знаете из курса электроники, больший ток будет протекать через ветвь с меньшим сопротивлением.

Следующая проблема: является ли амперметр цифровым измерительным инструментом? Ответ — нет. Амперметр — аналоговый прибор. Вы можете найти или использовать «цифровой» амперметр, но это не означает, что амперметр работает цифровым способом. Амперметр даже не механический. Используемый вами цифровой амперметр должен иметь цифровой дисплей (7-сегментный дисплей), но это из-за преобразователя.

В цифровом мультиметре используется АЦП (аналогово-цифровой преобразователь), обеспечиваемый микроконтроллером, который выполняет все вычисления и отображение через резистор.

В идеале амперметр имеет нулевое сопротивление, поэтому амперметр не изменит никакого значения в цепи. Но, как мы уже понимаем, идеальное состояние возникает только в математическом, а не в практическом анализе. Даже проводник имеет очень маленькое сопротивление.

Будьте осторожны при использовании амперметра.Как указано выше, амперметр необходимо подключить последовательно с ответвлением. Если вы подключите амперметр параллельно, то ток будет очень большим (можно предположить «короткое замыкание»), что приведет к перегоранию предохранителя, выходу из строя амперметра или даже к поломке компонентов цепи.

Функция амперметра

Гальванометр и амперметр

Гальванометр способен определять значение и направление тока в цепи. Как указано выше, он имеет стрелку, прикрепленную к якорю, состоящему из катушек.Дисплей откалиброван для считывания результатов движения.

Так в чем же разница между гальванометром и амперметром?

Если вы видели самую простую цепь постоянного тока, то понимаете, что якорь можно перемещать с помощью набора магнитов, в то время как якорь питается электрическим током. Та же концепция может быть использована для различения гальванометра и амперметра:

Гальванометру нужен набор магнитов, а амперметру он не нужен.

Другое отличие состоит в том, что гальванометр способен измерять только постоянный ток.

Вы можете себе это представить? Почему он не может измерить значение переменного тока? Поскольку переменный ток имеет отрицательную полярность, он будет перемещать указатель в противоположном направлении. На мой взгляд довольно запутанно.

Итак, как амперметр измеряет переменный ток? В то время как амперметр постоянного тока по-прежнему использует принцип подвижной катушки и магнита, амперметр переменного тока считает куски железа, которые перемещаются в присутствии электромагнитной силы фиксированного провода катушки.

Символ амперметра для переменного и постоянного тока остается прежним.Точно так же, как вольтметр, но вместо этого мы используем букву «А». Вы можете найти его в следующем разделе, как мы используем амперметр.

Шунтовое сопротивление

У гальванометра есть две характеристики:

  • Очень чувствительный прибор даже к небольшому изменению электрического тока.
  • Невозможно измерить высокий электрический потенциал.

Поскольку мы не должны менять силу тока, нам разрешается использовать только очень маленькое сопротивление. Но как это сделать с помощью гальванометра?

Подключаем резистор параллельно гальванометру.Поскольку это «параллельное» соединение, мы можем назвать его шунтирующим сопротивлением. (Шунт = Параллельный)

Помните, о чем мы говорили выше, почему мы включили амперметр в цепь последовательно? Мы будем использовать шунтирующее сопротивление, чтобы пропустить через него весь ток, так что гальванометр получит только очень небольшой ток.

Таким образом, гальванометр может измерять гораздо больший ток. Конечно, сопротивление шунта одновременно защитит и гальванометр.

Как определить значение сопротивления шунта? Соблюдайте приведенное ниже уравнение:

   

Где:

S = сопротивление шунта
G = сопротивление гальванометра
I г г
I = измеряемый ток

Поскольку I — это ток, который мы измеряем, то I g — это единственный ток, которому разрешено проходить через гальванометр для полного отклонения.А оставшийся ток ( I I g ) должен протекать через шунтирующее сопротивление.

Рассматриваем G и S параллельно.

Эффективное сопротивление амперметра выражается как:

   

Как работает амперметр

Амперметр предназначен для измерения электрического тока в цепи.

Как это работает?

Амперметр измеряет ток, протекающий через набор катушек с очень низким сопротивлением и индуктивным сопротивлением.Импеданс должен быть очень небольшим, чтобы амперметр не менял текущее значение из-за своего дополнительного импеданса.

Изображение выше представляет собой амперметр с подвижной катушкой, и мы часто называем его аналоговым амперметром. Внутри него установлены фиксированные магниты, предназначенные для противодействия протекающему через него электрическому току. Его указательный указатель перемещается якорем, расположенным в центре магнита (аналогично простым двигателям постоянного тока). Указатель расположен в точном месте со шкалой и числом на экране дисплея.

Самое важное в любом измерительном инструменте — это то, что он не должен изменять значения переменных в цепи. Вольтметру, амперметру и омметру запрещается изменять напряжение, ток и сопротивление внутри цепи.

Как и что измеряет амперметр

Узнав, что такое амперметр и гальванометр, применим их на практике: как и что измеряет амперметр.

Здесь мы должны понимать следующее:

  • Понимание того, что измеряет амперметр
  • Знание того, как использовать амперметр для измерения тока

Понимание того, что измеряет амперметр

Если вы читаете этот пост, держу пари вы поняли, что актуально.Трудно научиться амперметру, если вы даже не знаете, что такое амперметр. Все, что вам нужно прочитать в первую очередь, можно найти в моем посте о том, что такое электрические токи. Резюме,

Электрический ток – это изменение заряда за период времени, измеряемый в амперах (А), а заряд – это атомная частица в электрической системе, измеряемый в кулонах

Не забудьте подключить амперметр последовательно со схемой. Если вы по ошибке подключите его параллельно, это сработает как короткое замыкание.

Умение пользоваться амперметром для измерения силы тока

Например, давайте воспользуемся приведенной ниже простой электрической цепью. Мы будем использовать источник напряжения 3 В и набор из 3 резисторов с сопротивлением 10 Ом. Из закона Ома мы легко узнаем, что сила тока будет равна 1 Ампер. Поскольку легко рассчитать очень простую схему, нам не нужен амперметр.

Но что делать, если схема сложная, с большим количеством компонентов и смесью последовательно-параллельного соединения, а у нас нет роскоши времени? Здесь располагаются измерительные инструменты.

В любом случае, давайте проанализируем схему ниже:

Рассчитаем i 1 , i 2 и i 6

5 3 .

Для начала мы сначала найдем токи с основным законом Ома, чтобы позже проверить показания измерительных инструментов.

Для i 1 , поскольку это ток последовательно с источником напряжения, мы можем принять его как общий ток в цепи. Чтобы рассчитать общий ток в цепи, нам нужно сначала рассчитать полное сопротивление в цепи.

, а затем общее сопротивление

Общий ток

Общий ток

для I 2 и I 3 Мы можем использовать текущее разделение. С г R и R и R 3 имеют одинаковое сопротивление, мы разделим общий ток на 2. Следовательно,

I 2 = 0.1A и I 3 = 0,1 A

Здесь находятся текущие значения.Время использовать другой подход с амперметром.

Какое сопротивление имеет амперметр? Предположим, что сопротивление 0,01 Ом.

Для i 1 поместим амперметр между источником напряжения и R1. схема становится такой:

Как вы заметили, i 1 составляет 0,19998 А. Это очень близко к 2 А, если мы используем закон Ома. Почему они разные? Потому что, если мы используем математические методы, мы предполагаем, что каждый компонент находится в идеальном состоянии.Идеальный амперметр имеет нулевое внутреннее сопротивление, что практически невозможно. Сопротивление амперметра 0,01 Ом немного уменьшает общий ток, и мы можем игнорировать разницу.

Переезд на I 2 и I 3 ,

Мы получаем 0,09999 A для I 2 и I 3 вместо 0,1 A. И снова, мы можем игнорировать различия.

Часто задаваемые вопросы

Как амперметр измеряет ток?

Амперметр измеряет ток, протекающий через набор катушек с очень низким сопротивлением и индуктивным сопротивлением.Импеданс должен быть очень небольшим, чтобы амперметр не менял текущее значение из-за своего дополнительного импеданса.

Что измеряют амперметры и вольтметры?

Амперметр используется для измерения электрического тока, а вольтметр используется для измерения электрического напряжения.

Каков принцип работы амперметра?

Полное сопротивление должно быть очень небольшим, чтобы амперметр не менял текущее значение из-за своего дополнительного сопротивления.

Имеют ли амперметры высокое сопротивление?

Сопротивление должно быть очень небольшим, чтобы амперметр не менял текущее значение из-за своего дополнительного сопротивления.

Электросчетчики

Вольтметры

Вольтметры — это инструменты, используемые для измерения разности потенциалов между двумя точками цепи. Вольтметр подключается параллельно измеряемому элементу, что означает создание альтернативного пути тока вокруг измеряемого элемента и через вольтметр.Вы правильно подключили вольтметр, если можете удалить вольтметр из цепи, не разорвав цепь. На схеме справа подключен вольтметр для правильного измерения разности потенциалов на лампе. Вольтметры имеют очень высокое сопротивление, чтобы свести к минимуму ток, протекающий через вольтметр, и влияние вольтметра на цепь.


Амперметры

Амперметры — это инструменты, используемые для измерения силы тока в цепи. Амперметр включен последовательно с цепью, так что измеряемый ток протекает непосредственно через амперметр.Цепь должна быть разорвана, чтобы правильно вставить амперметр. Амперметры имеют очень низкое сопротивление, чтобы свести к минимуму падение потенциала на амперметре и влияние амперметра на цепь, поэтому параллельное включение амперметра в цепь может привести к чрезвычайно высоким токам и может привести к выходу из строя амперметра. На схеме справа правильно подключен амперметр для измерения тока, протекающего по цепи.

 

Вопрос: На электрической схеме справа возможно расположение амперметра и вольтметра обозначены кружками 1, 2, 3 и 4.Где должен стоять амперметр правильно измерить общий ток и где должен ли вольтметр быть расположен правильно измерить общее напряжение?

Ответ: Для измерения полного тока амперметр необходимо поставить в положение 1, так как весь ток в цепи должен проходить по этому проводу, а амперметры всегда подключаются последовательно.

Для измерения общего напряжения в цепи вольтметр можно поместить либо в положение 3, либо в положение 4.Вольтметры всегда ставятся параллельно анализируемому элементу цепи, а позиции 3 и 4 эквивалентны, так как соединены проводами (а в идеальном проводе потенциал везде одинаков).

 

 

Вопрос: На какой приведенной ниже схеме правильно показано подключение амперметра A и вольтметра V для измерения тока и разности потенциалов на резисторе R?

Ответ: (4) показывает амперметр последовательно и вольтметр параллельно резистору.

 

 

Вопрос: По сравнению с сопротивлением измеряемой цепи, внутреннее сопротивление вольтметра должно быть очень большим, чтобы

  1. ток из цепи не вытекал
  2. маленький ток от цепи
  3. большая часть тока от цепи
  4. весь ток из цепи

Ответ: (2) вольтметр должен потреблять как можно меньший ток из цепи, чтобы свести к минимуму его влияние на цепь, но для его работы требуется небольшой ток.

 

 

Измерение тока и разности потенциалов — Электрический ток и разность потенциалов — KS3 Physics Revision

Вы можете измерять ток и разность потенциалов в цепях. Это разные вещи и поэтому измеряются по-разному.

Ток

Ток является мерой того, сколько электрического заряда проходит через цепь. Чем больше заряда течет, тем больше ток.

Ток измеряется в амперах. Символ ампера — А. Например, 20 А — это больший ток, чем 5 А. Слово «ампер» часто сокращается до «ампер», поэтому люди говорят о том, сколько ампер течет.

Измерение тока

Устройство, называемое амперметром, используется для измерения тока. Некоторые типы амперметров имеют стрелку на циферблате, но большинство из них имеют цифровой дисплей. Чтобы измерить ток, протекающий через компонент в цепи, необходимо последовательно с ним подключить амперметр.

Цепь с амперметром, подключенным в двух разных местах, последовательно с ячейкой и лампой

Когда два компонента соединены последовательно, вы можете проследить путь через оба компонента, не отрывая пальца и не возвращаясь к уже пройденному пути. взятый.

Разность потенциалов

Разность потенциалов является мерой разности энергий между двумя частями цепи. Чем больше разница в энергии, тем больше разность потенциалов.

Разность потенциалов измеряется в вольтах.Вольт обозначается символом В. Например, 230 В — это большая разность потенциалов, чем 12 В. Вместо того, чтобы говорить о разности потенциалов, люди часто говорят о напряжении, поэтому вы можете услышать или увидеть «напряжение» вместо «разность потенциалов».

Измерение разности потенциалов

Разность потенциалов измеряется с помощью устройства, называемого вольтметром. Как и амперметры, некоторые типы имеют стрелку на циферблате, но большинство из них имеют цифровой дисплей. Однако, в отличие от амперметра, вы должны подключить вольтметр параллельно, чтобы измерить разность потенциалов на компоненте в цепи.

Принципиальная схема, показывающая вольтметр, подключенный параллельно с лампой

Когда два компонента соединены параллельно, вы не можете проследить цепь через оба компонента с одной стороны на другую, не поднимая пальца или не возвращаясь по уже пройденному пути.

Элементы

Вы можете измерить разность потенциалов элемента или батареи. Если две или более ячеек указывают в одном направлении, чем больше ячеек, тем больше разность потенциалов.

Каждая ячейка имеет разность потенциалов 1.5 В, поэтому три ячейки дают 4,5 В

Контрольно-пропускной пункт

Измерение электрических токов | IOPSpark

Электрическая цепь

Электричество и магнетизм

Измерение электрических токов

Рассказ о физике за 11-14

Ток — это скорость заряда

Электрический ток состоит из движущихся заряженных частиц.Итак, заряженные частицы движутся по контуру.

Чтобы разобраться в электрических цепях, вам придется смоделировать поведение токов в контурах. Теперь мы рассмотрим, как можно измерить электрические токи и как мы можем понять эти измерения.

Электрический ток в одной части цепи измеряется амперметром, который дает показание в амперах.

Для проведения измерения в цепи делают разрыв и в этот промежуток подключают амперметр, так что заряженные частицы, движущиеся по цепи, должны пройти через счетчик.

Поскольку амперметр подключается непосредственно в цепь, он должен иметь низкое сопротивление, чтобы не уменьшать поток заряда, для измерения которого он используется.

Увеличение тока

Что на самом деле измеряет амперметр, когда он включен в цепь? Вы можете представить себе работу амперметра как подсчет зарядов, когда они проходят через прибор, чтобы увидеть, сколько зарядов проходит каждую секунду. Количество заряда, проходящего в секунду, является мерой электрического тока:

Много заряженных частиц, проходящих в секунду: большой ток

Несколько заряженных частиц, проходящих в секунду: малый ток

Мы можем уточнить это до электрического тока = количеству заряда, проходящего в секунду .

Это эквивалентно электрического тока = скорости потока заряда .

Более формально, возможно:

ток = длительность зарядки

Вы можете написать это символами:

I  =  Q т

Где I — текущий; Q — зарядка; t – время, в течение которого протекает заряд (длительность).

Вы также можете записать всю взаимосвязь в единицах:

ток, измеренный в амперах = заряд, измеренный в кулонах, измеренный в секундах

Для увеличения размера электрического тока,

  • Необходимо привести в движение большее количество заряженных частиц (изменить материал или толщину проволоки),
  • Или заряженные частицы должны двигаться быстрее по цепи.

Оба этих действия приводят к тому, что каждую секунду через любую точку цепи проходит больше заряда, а это означает больший электрический ток. В эпизоде ​​02 вы увидите, как можно увеличить электрический ток.

Ампер: мера электрического тока, представляющая собой скорость протекания заряда

Когда амперметр используется для измерения величины электрического тока, показание счетчика выражается в амперах. Подключите амперметр в цепь последовательно, чтобы не было разветвлений: ток в проводах будет такой же, как и в амперметре.

Постоянный электрический ток силой 1,0 ампера означает, что в секунду проходит один кулон заряда.

Что это значит? Сколько электронов составляет заряд в один кулон? Поскольку заряд одного электрона составляет 1,6 × 10 -19 кулон, то в одном кулоне заряда должно быть около 6 × 10 18 электронов (6 миллионов, миллионов, миллионов!)

Когда мы думаем об электрических токах в проводах, хорошей мысленной картиной будет огромное количество электронов, дрейфующих по цепи в довольно спокойном темпе!

Единицей электрического тока является ампер.

Символ ампера: A

Каким бы ни был проводник, каким бы ни был заряд, связь между током и накопленным количеством прошедшего заряда универсальна.

Биметаллический амперметр: новый метод измерения тока

Emergent Scientist 4 , 2 (2020)

Исследовательская статья

Биметаллический амперметр: новый метод измерения силы тока

Роберт Фредерик Уй * , Цяоцзы Мяо и Чэнхао Юань

св.Институт Джозефа, 38 Малькольм Роуд, Сингапур 308274, Сингапур

* электронная почта: [email protected]

Получено: 22 февраль 2020
Принято: 3 июнь 2020

Аннотация

Электрический ток, протекающий через биметаллический змеевик, нагревает его, и вследствие теплового расширения змеевик либо разматывается, либо наматывается в зависимости от направления полезной теплопередачи и удельной теплоемкости используемых металлов.Это означает, что, связав определенную меру своего механического смещения с током, биметаллическую катушку можно использовать как амперметр. Таким образом, была разработана и экспериментально проверена математическая модель, связывающая ток со временем, которое требуется биметаллической катушке для разматывания фиксированного рабочего объема, что показывает хорошее соответствие между теоретическими и экспериментальными значениями.

Ключевые слова: биметаллический амперметр / измерение тока / тепловое расширение / нагревательный эффект тока / механическое смещение

© Р.Ф. Уй и др., Опубликовано EDP Sciences, 2020 г.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0), которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии, что оригинальная работа правильно цитируется.

1 Введение

Амперметры — это приборы для измерения электрического тока. Значительно продвинувшись вперед с момента появления электричества, человечество повидало множество приборов для измерения тока.Многие из них относятся к следующим категориям: электромеханические амперметры, тепловые амперметры, мультиметры, осциллографы и виртуальные приборы [1]. В каждом из этих устройств используются определенные наблюдаемые эффекты электрического тока, что делает возможным измерение тока.

В нашу современную эпоху электричество, несомненно, стало неотъемлемой частью нашей повседневной жизни, питая наши фары, телефоны, ноутбуки и даже автомобили. С повсеместным распространением электронных устройств мы часто наблюдаем, что эти гаджеты и приборы имеют тенденцию нагреваться или даже перегреваться при использовании в течение длительного периода времени.Это связано с тем, что когда электрический ток проходит через металлы, делокализованные электроны сталкиваются с положительными ионами в металлической решетке, передавая энергию проводнику в виде тепла. Следовательно, мы наблюдаем нагрев наших цифровых устройств.

Тепловое расширение — это физическое явление, постоянно происходящее вокруг нас, хотя оно часто остается незамеченным для большинства повседневных объектов. Несмотря на обыденность, это по-прежнему является жизненно важным аспектом физического мира, поскольку потенциально может критически повлиять на нашу жизнь — от повышения уровня моря до структурной целостности инфраструктуры [2].Интересным объектом, демонстрирующим тепловое расширение, является биметаллическая катушка. Известно, что когда объект нагревается и испытывает повышение температуры, его длина увеличивается пропорционально его коэффициенту линейного теплового расширения, который является характеристикой материала, из которого сделан объект. Следовательно, поскольку один металл расширяется быстрее, чем другой, биметаллическая катушка, состоящая из двух разных металлов с разными коэффициентами линейного теплового расширения, при нагревании будет наматываться или раскручиваться.

Уже изобретены и запатентованы токоизмерительные приборы на основе тепловых эффектов. Среди них работы Миллера [3], Гудвина [4,5] и Холла [6], которые послужили источником вдохновения для нашей работы. Точно так же, используя тепловое расширение как наблюдаемый тепловой эффект электрического тока, мы также разработали тепловой амперметр. Поскольку электрический ток нагревает проводник, по которому он протекает, биметаллическая катушка нагревается, когда ее включают последовательно с электрической цепью, что приводит к механическому смещению.Таким образом, биметаллический амперметр был разработан таким образом, что определенное значение тока соответствует определенному времени, которое требуется биметаллической катушке для разматывания от начальной точки до конечной точки, обе из которых фиксированы. Затем была сформулирована и экспериментально подтверждена модель, основанная на сохранении тепловой энергии и связывающая ток и время, необходимое для разматывания катушки, что позволило использовать биметаллический амперметр в качестве необычного, но интересного метода измерения. Текущий.

2 метода

Это исследование состоит из трех этапов: концептуализация и создание биметаллического амперметра, теоретическое моделирование и сбор данных.

2.1 Амперметр биметаллический

Принципиальную схему биметаллического амперметра можно увидеть на рисунке 1, а фотографии частей амперметра — на рисунках 2 и 3.

В экспериментальной установке биметаллическая катушка, представляющая собой кухонный подвесной термометр для холодильника/морозильной камеры производства Стива и Лейфа, 1 , была извлечена из исходного корпуса термометра и установлена ​​на основании палочки от эскимо, как показано на рисунке 2. .По словам производителей биметаллической катушки, используются два металла: медь и цинк.

Затем к двум концам биметаллической катушки были присоединены соединительные медные провода

путем вставки медных проводов в отверстия на двух концах катушки. На свободном конце уже было отверстие, так как именно к нему была прикреплена пластиковая стрелка оригинального термометра, которую мы удалили и заменили металлической стрелкой, но на фиксированном конце этого не было. Таким образом, проткнули его острым концом компаса небольшое отверстие.Затем другие концы этих соединительных проводов были вставлены в определенные отверстия макетной платы, что позволило легко подключиться к цепи, ток которой необходимо измерить. Соединительный провод, прикрепленный к фиксированному концу катушки, который можно найти в центре катушки, также был подключен к аналоговому выводу микроконтроллера Arduino Uno.

Кроме того, другая палочка от эскимо использовалась для отметки и фиксации начальной точки, которая является положением металлического указателя, соединенного со свободным концом катушки, при комнатной температуре.Затем была помещена металлическая полоса, чтобы зафиксировать конечную точку, которая достигается биметаллической катушкой после достаточного нагрева током. Начальная и конечная точки были зафиксированы в соответствующих положениях так, что угол между ними по отношению к центру катушки составлял 18°.

К металлической полосе с помощью изолирующей изоленты был также прикреплен медный провод, который был подключен к другому аналоговому выводу микроконтроллера, а также к 10-килоомному подтягивающему резистору, который, в свою очередь, был подключен к массе микроконтроллера. штырь.

Согласно рис. 1, когда электрический ток от внешней цепи поступает на амперметр, он течет в биметаллическую катушку. Одновременно микроконтроллер обнаруживает ток, который затем предлагает программе Arduino амперметра записать время, когда ток начал течь через амперметр. Обратите внимание, что земля микроконтроллера Arduino Uno косвенно связана с отрицательной клеммой источника питания внешней цепи, поскольку и микроконтроллер, и источник питания подключены к земле ноутбука через соединение USB.

Электрический ток непрерывно нагревает биметаллическую катушку, заставляя ее раскручиваться из-за разных коэффициентов линейного теплового расширения меди и цинка. В частности, средние значения коэффициентов линейного термического расширения, найденные в существующей литературе [7–12], для меди составляют 1,66·10 -5 ∕°C, а для цинка — 3,00·10 -5 ∕°C. Поскольку внутренний металл — цинк — имеет более высокий коэффициент линейного теплового расширения, чем внешний металл — медь, внутренний металл расширяется быстрее, чем внешний металл, что приводит к разматыванию биметаллической катушки.

Кроме того, к одному концу биметаллической катушки была прикреплена металлическая стрелка, которая перемещалась от начальной точки к конечной по мере нагрева катушки электрическим током. Когда указатель достигает конечной точки, ток будет течь к заземляющему контакту микроконтроллера, проходя через указатель, металлическую полоску и подтягивающий резистор. Следовательно, вышеупомянутый микроконтроллер запустит программу Arduino для записи времени, когда он обнаружит ток в конечной точке.Затем программа вычтет первое значение времени из второго значения времени, чтобы получить время, необходимое биметаллической катушке для разматывания от начальной до конечной точки. После того, как затраченное время будет рассчитано, амперметр вручную отключается от цепи, чтобы предотвратить дальнейший нагрев катушки, который может привести к ее дальнейшему расширению, что приведет к деформации, поскольку она уже находится в фиксированной конечной точке. Следовательно, подтягивающий резистор оказывает незначительное влияние на ток, поскольку ток протекает через него только на мгновение, но он играет решающую роль в цепи, поскольку позволяет определять ток.Наконец, теоретическая модель используется для расчета тока по времени, измеренному микроконтроллером.

рисунок 1

Схема экспериментальной установки. Деталь, заключенная в пунктирную рамку, представляет собой биметаллический амперметр. Для этой диаграммы принят обычный ток. Провода внизу показывают, как микроконтроллер и внешняя цепь питаются от ноутбука.

Инжир.2

Часть биметаллического амперметра, вид сверху. На нем показаны различные компоненты на основе палочки от эскимо. Для пояснения, часть соединительного провода 2 расположена под основанием палочки от эскимо и соединена с неподвижным концом катушки. Обратите внимание, что соединительные провода 2 и 3 соединены с деталями на рис. 3.

Рис. 3

Часть биметаллического амперметра, вид сверху. На нем показано, как компоненты на основании палочки от эскимо подключаются к соответствующим контактам микроконтроллера Arduino Uno.Обратите внимание, что соединительные провода 2 и 3 соединены с деталями на рис. 2.

2.2 Математическая модель

Как упоминалось ранее, была сформулирована модель, связывающая время, необходимое биметаллической катушке для разматывания от начальной точки до конечной точки, и ток, проходящий через биметаллический амперметр. Он включает в себя три уравнения, которые количественно определяют тепло, получаемое проводником, тепло, рассеиваемое в окружающую среду, а также повышение температуры, вызванное чистым притоком тепла.

Во-первых, теплота, полученная проводником, равна (1)

, где I — ток, проходящий через биметаллический амперметр, R — сопротивление биметаллического амперметра, а t — время, необходимое биметаллической катушке для разматывания от фиксированной начальной точки до фиксированной конечной точки.

Во-вторых, тепло, рассеиваемое в окружающую среду, определяется выражением (2)

, где h — общий коэффициент теплоотдачи биметаллического змеевика, A — площадь поверхности биметаллического змеевика, а Δ T ( t ) — разность между температурой биметаллического змеевика и температура окружающей среды, которая также является начальной температурой биметаллической катушки, как функция времени.

В-третьих, повышение температуры из-за чистого притока тепла определяется выражением (3)

, где м — масса биметаллического змеевика, c — удельная теплоемкость биметаллического змеевика, Δ T — общее изменение температуры биметаллического змеевика.

Объединив эти три уравнения с помощью закона сохранения энергии, мы получим модель, связывающую I и t : (4)

Из-за трудностей с измерением коэффициента общей теплоотдачи ч и площади поверхности A биметаллического змеевика был применен закон охлаждения Ньютона, чтобы переписать выражение для потерь тепла в окружающую среду.Вышеупомянутый закон гласит, что скорость охлаждения объекта определяется выражением (5)

, где k — постоянная охлаждения.

Теплоемкость объекта по определению определяется выражением (6)

, который можно переписать как (7)

Путем подстановки уравнения (2) и уравнения (5) в уравнение (7) получается соотношение между ч и к : (8)

, что элегантно упрощает (9)

Подставляя уравнение (9) в уравнение (2), потери тепла в окружающую среду можно повторно выразить как (10)

Решая уравнение (4) с модификацией его последнего члена с помощью уравнения (10), мы получаем время, необходимое биметаллической катушке для разматывания от начальной точки до конечной точки, которое определяется формулой (11)

2.3 Сбор данных

На рис. 1 показана принципиальная схема экспериментальной установки. Для проверки нашей модели были проведены эксперименты. Эти эксперименты включают в себя поиск значений констант, используемых в нашей модели, а также сбор данных для проверки правильности данной модели.

Для получения значений констант в уравнении (11) были проведены эксперименты, и использовались существующие литературные значения. В таблице 1 приведены значения констант, используемых в модели.

Сначала масса м биметаллической катушки была измерена как 0,00023 кг с помощью электронных весов.

Во-вторых, удельная теплоемкость c = 388 Дж/(кг ⋅°C) была получена путем усреднения значений удельных теплоемкостей меди и цинка, найденных в существующей литературе [12–14].

В-третьих, постоянная охлаждения k была получена в результате эксперимента, в котором биметаллическая спираль нагревалась до 45 °C, а время, необходимое для ее охлаждения до 35 °C, измерялось с помощью секундомера.Затем брали среднее значение трех временных значений. Используя закон охлаждения Ньютона, который показан в уравнении (5), значение постоянной охлаждения k может быть получено из затраченного времени t с использованием следующего уравнения: (12)

где T

4 A — это температура окружающей среды, T I — начальная температура, T F — это конечная температура, а T Cool время, необходимое для охлаждения змеевика от начальной температуры до конечной температуры.

Нам не удалось измерить температуру биметаллического змеевика с помощью лабораторных термометров, так как стеклянный спиртовой термометр, термопара и инфракрасный термометр, как правило, измеряют температуру окружающей среды, а не температуру змеевика. Следовательно, нашим лучшим выбором было записывать показания температуры по шкале на оригинальном корпусе термометра без прозрачной пластиковой крышки. Поскольку большая часть тепла теряется в воздухе как в экспериментальной установке, так и в биметаллическом амперметре, а исходный корпус термометра и основание палочки от мороженого являются плохими проводниками тепла, постоянная охлаждения k для обеих установок должна быть очень близкой.Кроме того, мы нагревали катушку с помощью фена, поскольку использование электрического тока привело бы к неточностям в собранных данных. Если бы мы использовали электрический ток для нагрева катушки, соединительный провод приложил бы крутящий момент к катушке, препятствуя ее разматыванию. Это привело бы к тому, что показание температуры было бы ниже фактического значения, поскольку градуировка на оригинальном корпусе термометра не была откалибрована для учета крутящего момента, создаваемого соединительным проводом.

В нашем эксперименте, температура окружающей среды T A было 30 ° C, начальная температура T I составляла 45 ° C, конечная температура T F было 35 °C, а среднее время, затраченное на t охлаждение , составило 154 с.Следовательно, для нашей установки значение постоянной охлаждения равно k = 0,0071 с −1 .

Наконец, мы измерили сопротивление биметаллической катушки с помощью мультиметра, который дал показание R = 0,8 Ом.

Как показано на рисунке 1, разработанный биметаллический амперметр был включен последовательно в цепь, ток которой необходимо измерить, а также мультиметр. Используемая схема состояла из резисторов на макетной плате, которые, в свою очередь, были подключены к низковольтному источнику питания.Мультиметр использовался для получения экспериментального значения тока. Для изменения тока варьировались сопротивление резисторов и подаваемое напряжение. Кроме того, для каждого значения тока несколько раз измерялось время разматывания биметаллической катушки и бралось среднее из трех наиболее точных значений. Этот эксперимент позволяет нам сопоставить среднее время, затраченное с текущим значением.

Таблица 1

Значения констант, используемых в модели.

3 результатов

Рис. 4 представляет собой график, показывающий взаимосвязь между током и временем.Как и ожидалось, затрачиваемое время уменьшается по мере увеличения тока. Это связано с тем, что при более высоком значении тока тепло отводится биметаллической катушкой с большей скоростью. Таким образом, два металла, медь и цинк, увеличиваются в длине с повышенной скоростью, что приводит к более быстрому разматыванию катушки.

Рис. 4

Связь между текущими и а время раскручивания t . Синие точки представляют собой значения экспериментальных данных, тогда как зеленая кривая представляет наиболее подходящую кривую с Δ Т = 18.23°С.

4 Обсуждение

Поскольку мы не смогли точно и надежно измерить температуру, мы использовали Python, чтобы найти наиболее подходящую кривую для наших данных, которая дала значение общего изменения температуры Δ T = 18,23 °C. Кроме того, внутренний угол между начальной и конечной точками по отношению к центру спирали составляет 18°, что предположительно соответствует повышению температуры на 6°C, если считать по шкале на корпусе оригинального термометра.Однако общее изменение температуры Δ T значительно превышает 6 °C, так как соединительный провод, прикрепленный к свободному концу катушки, оказывает крутящий момент на катушку, препятствуя ее разматыванию.

Из графика на рисунке 4 можно сказать, что теоретическая модель хорошо согласуется с экспериментальными данными. Фактически была зафиксирована средняя ошибка всего 4%, что доказывает, что предложенная модель является хорошим и надежным приближением.

4.1 Анализ ошибок

Расхождения между теоретической моделью и экспериментальными данными возникли в первую очередь из-за разного времени отклика микроконтроллера.Помимо этого, погрешности измерений, связанные с ограниченной точностью используемых приборов и небольшими различиями в температуре окружающей среды, которая предполагалась постоянной на протяжении всего этапа сбора данных в этом исследовании, также способствовали отклонениям экспериментальных данных от теоретическая модель.

4.2 Преобразование значения выходного тока

Следует отметить, что ток, измеряемый биметаллическим амперметром, представляет собой ток, протекающий через него.Поскольку биметаллический амперметр имеет внутреннее сопротивление, амперметр вызывает увеличение сопротивления всей установки, когда он включен последовательно с определенной цепью. По закону Ома это увеличение сопротивления приводит к уменьшению тока, протекающего через установку, при условии, что напряжение, подаваемое источником питания, остается постоянным. В связи с этим вводится поправочный член для преобразования измеренного значения тока в истинное значение тока цепи до ее подключения к биметаллическому амперметру.Этот поправочный член, который необходимо умножить на измеренное значение тока, чтобы получить желаемое значение тока, определяется выражением (13)

, где R a — внутреннее сопротивление амперметра, а R c — сопротивление цепи.

4.3 Ограничения биметаллического амперметра

Другим важным аспектом биметаллического амперметра, который необходимо учитывать, являются его ограничения.

Во-первых, диапазон значений тока, которые наш биметаллический амперметр смог точно измерить, равен 0.от 26 А до 1,30 А. Это связано с тем, что для электрических токов менее 0,26 А микроконтроллер плохо реагирует на определение тока. Поэтому, хотя металлическая стрелка уже соприкасается с металлической полосой в конечной точке, микроконтроллер не сразу определяет ток. Это приводит к увеличению времени измерения микроконтроллером, в результате чего измеренное значение тока оказывается ниже фактического значения. Другая причина заключается в том, что при еще меньших токах скорость нагрева катушки ниже.Таким образом, перед достижением конечной точки катушка достигает устойчивого состояния, в котором скорость поглощения тепла равна скорости рассеивания тепла. Более того, для значений тока выше 1,30 А уровень точности ниже, поскольку наклон графика ток-время для более высоких токов значительно меньше. Это означает, что небольшая ошибка в измеренном времени приведет к большому отклонению значения выходного тока, что значительно снизит точность прибора.

Во-вторых, наш биметаллический амперметр работает только в определенных условиях окружающей среды; то есть окружающие рабочие условия во время сбора данных должны быть такими же, как и во время использования амперметра для измерения тока.Например, наш биметаллический амперметр хорошо работает только при температуре окружающей среды около 30 °C и при отсутствии ветра, поскольку это основные условия окружающей среды, при которых были собраны данные для получения значений констант модели. Температура окружающей среды имеет значение, так как различная температура окружающей среды приводит к различной скорости потери тепла. Следовательно, время, затрачиваемое катушкой на размотку от начальной до конечной точки, также отклоняется от ожидаемого значения. Кроме того, присутствие ветра увеличивает скорость потери тепла за счет конвекции, что приводит к меньшей скорости разматывания змеевика.Это привело бы к большему времени, затрачиваемому катушкой на размотку от начальной точки до конечной точки, и, следовательно, к значению тока ниже истинного значения. Следовательно, если условия окружающей среды должны были измениться, значения констант должны быть повторно откалиброваны, чтобы можно было проводить точные измерения тока.

В-третьих, после каждого текущего измерения последующее измерение может быть выполнено только после времени ожидания, которое можно определить экспериментально. Чтобы узнать время ожидания, нужно измерить время, необходимое катушке, чтобы вернуться в исходное положение.Более того, катушку необходимо разместить где-нибудь с более низкой температурой окружающей среды, чтобы дать возможность биметаллической катушке остыть до исходной температуры окружающей среды, а не просто приблизиться к ней. Перед выполнением следующего измерения важно убедиться, что металлический указатель достигает начальной точки, поскольку увеличение длины металлов, необходимых для разматывания биметаллической катушки до конечной точки, должно быть постоянным. Оценка порядка величины времени ожидания составляет 1∕ k , что приблизительно равно 10 2 с для нашей установки.

Наконец, напряжение, подаваемое источником питания внешней цепи, ограничено максимальным значением 5 вольт, чтобы не повредить микроконтроллер.

4.4 Возможные улучшения

Одним из потенциальных улучшений, которое можно исследовать в будущих исследованиях, будет нахождение оптимальных положений фиксированных начальной и конечной точек. Это то, что не исследовалось в данном исследовании, но потенциально может расширить диапазон значений тока, которые могут быть точно измерены биметаллическим амперметром.

Кроме того, сбор данных следует проводить в месте, где можно легко контролировать температуру окружающей среды. В нашем исследовании данные были собраны в школьной лаборатории, где температура окружающей среды колеблется в течение дня. Следовательно, из-за этих незначительных различий в температуре окружающей среды скорость потери тепла могла несколько различаться в разное время суток. Поэтому для получения более точных и надежных данных их следует собирать в помещении, где можно контролировать температуру окружающей среды.

5 Тупик

Одним из тупиков, с которым мы столкнулись в ходе нашего исследования, было определение тока на основе углового смещения, охватываемого металлической стрелкой, когда биметаллическая катушка нагревалась электрическим током в течение определенного периода времени, например двух секунд. . Это потому, что нам было трудно дать току течь к амперметру в течение очень определенного периода времени точно и неоднократно. В основном это связано со временем реакции человека, которое нельзя легко контролировать во время экспериментов.Кроме того, также трудно определить точное место максимального смещения металлической стрелки, которое достигается непосредственно перед отключением амперметра от цепи, чтобы точно соотнести значение тока с угловым смещением стрелки. Тем не менее, будущая работа может быть направлена ​​на поиск решений, позволяющих обойти препятствия, с которыми мы столкнулись.

Еще один тупик, с которым мы столкнулись, это использование оригинального пластикового корпуса термометра. Корпус, поскольку он сделан из пластика, имеет тенденцию плавиться, когда катушка нагревается током в течение длительного периода времени.Поэтому для решения этой проблемы биметаллическая катушка была установлена ​​на основании палочки от эскимо.

Мы также зашли в тупик, пытаясь измерить температуру биметаллической катушки. Имея доступ только к спиртовому термометру, термопаре и инфракрасному термометру, мы не смогли измерить температуру катушки. Это связано с тем, что стеклянный спиртовой термометр и термопара оказывали крутящий момент на биметаллическую катушку, препятствуя ее разматыванию, когда эти термометры располагались на ободе катушки.Более того, при размещении на фиксированном конце змеевика, чтобы избежать описанного выше сценария, термометр давал показания температуры лишь с незначительным увеличением по сравнению с температурой окружающей среды. Это связано с тем, что поверхности колбы стеклянного спиртового термометра и зонда термопары в основном контактировали с окружающим воздухом, а не с биметаллической катушкой. Кроме того, из-за небольшой площади поверхности катушки инфракрасный термометр имеет тенденцию измерять температуру поверхностей вокруг катушки, а не самой биметаллической катушки.

6 Заключение

В этом исследовании был разработан новый биметаллический амперметр, и наряду с ним была разработана и экспериментально проверена модель, описывающая зависимость между током и временем, которое требуется биметаллической катушке для разматывания. Будучи очень точными, измерения показывают среднюю ошибку всего 4%, что указывает на хорошее соответствие между теоретической моделью и экспериментальными данными. Тем не менее, еще есть возможности для улучшения точности и конструкции прибора.Такие улучшения могут быть изучены в будущих исследованиях.

Благодарности

Выражаем благодарность Институту Св. Иосифа за предоставленную возможность использовать школьную лабораторию и необходимое оборудование. Кроме того, мы также хотели бы поблагодарить г-жу Вонг Ках Ян, г-жу Лидиавати Вонг, Нгуен Кхой Нгуен, Нгуен Цао Зуй и До Тхиен Фук за их помощь в различных аспектах в ходе нашего исследования.

Ссылки

  1. ЧАС.Эрен, Измерение тока, в: H. Peter, R. Thorn (Eds.), Handbook of Measuring System Design, под редакцией Sydenham, John Wiley & Sons, Чичестер, Англия, 2005 г. [Google Scholar]
  2. Д.Р. Дунас-Фрейзер, П.Р. Ганди, Г.З. Ивата, Анализ погрешностей для простого эксперимента по тепловому расширению, Am.Дж. Физ. 81, 338–342 (2013) [Перекрестная ссылка] [Google Scholar]
  3. Дж.Х. Миллер, Термопарный амперметр. Патент США 2 100 260, выданный 23 ноября 1937 г. [Google Scholar]
  4. В. Н. Гудвин-младший Тепловой амперметр. Патент США 1 456 951, выданный 29 мая 1923 г. [Google Scholar]
  5. В.Н. Гудвин-младший. Тепловой амперметр. Патент США 2 645 756, выданный 14 июля 1953 г. [Google Scholar]
  6. У. Д. Холл, Тепловой амперметр. Патент США 2 211 773, выданный 20 августа 1940 г. [Google Scholar]
  7. Коэффициенты линейного теплового расширения.Инженерный набор инструментов. 2003 г., https://www.engineeringtoolbox.com/linear-expansion-coefficients-d_95.html (по состоянию на 28 декабря 2019 г.) [Google Scholar]
  8. Х. Де Кеуленаер, Тепловое расширение: медь против алюминия. Leonardo Energy, 2019 г., последнее изменение 5 ноября.https://help.leonardo-energy.org/hc/en-us/articles/202823322-Thermal-expansion-Copper-vs-aluminium?mobile_site=true (по состоянию на 28 декабря 2019 г.) [Google Scholar]
  9. Р. Шолль, В.Б. Либи, Использование интерферометра Майкельсона для измерения коэффициента теплового расширения меди, Phys.Учитель 47, 306–308 (2009) [Перекрестная ссылка] [Google Scholar]
  10. Список коэффициентов теплового расширения (КТР) для природных и искусственных материалов.Поставки МСЭ. https://www.msesupplies.com/pages/list-of-thermal-expansion-coefficients-cte-for-natural-and-engineered-materials (по состоянию на 28 декабря 2019 г.) [Google Scholar]
  11. Коэффициент линейного теплового расширения металлов.ЭймсВеб. https://www.amesweb.info/Materials/Linear-Thermal-Expansion-Coefficient-Metals.aspx (по состоянию на 28 декабря 2019 г.) [Google Scholar]
  12. Р.А. Serway, WJ Jewett, Физика для ученых и инженеров с современной физикой, Cengage Learning, Бостон, 2018 г. [Google Scholar]
  13. Удельная теплоемкость некоторых металлов.Инженерный набор инструментов. 2003. https://www.engineeringtoolbox.com/specific-heat-metals-d_152.html (по состоянию на 28 декабря 2019 г.) [Google Scholar]
  14. Таблица удельной теплоемкости. Школьный совет округа Верхняя Канада. http://www2.ucdsb.on.ca/tiss/stretton/database/Specific_Heat_Capacity_Table.html (по состоянию на 28 декабря 2019 г.) [Google Scholar]

Цитируйте эту статью как : Robert Frederik Uy, Qiaozi Miao, Chenghao Yuan, Bimetall Ammeter: A New Method of Current Measurement, Emerging Scientist 4 , 2 (2020)

Все столы

Таблица 1

Значения констант, используемых в модели.

Все фигурки

рисунок 1

Схема экспериментальной установки. Деталь, заключенная в пунктирную рамку, представляет собой биметаллический амперметр. Для этой диаграммы принят обычный ток. Провода внизу показывают, как микроконтроллер и внешняя цепь питаются от ноутбука.

В тексте
Рис. 2

Часть биметаллического амперметра, вид сверху.На нем показаны различные компоненты на основе палочки от эскимо. Для пояснения, часть соединительного провода 2 расположена под основанием палочки от эскимо и соединена с неподвижным концом катушки. Обратите внимание, что соединительные провода 2 и 3 соединены с деталями на рис. 3.

В тексте
Рис. 3

Часть биметаллического амперметра, вид сверху. На нем показано, как компоненты на основании палочки от эскимо подключаются к соответствующим контактам микроконтроллера Arduino Uno.Обратите внимание, что соединительные провода 2 и 3 соединены с деталями на рис. 2.

В тексте
Рис. 4

Связь между текущими и а время раскручивания t . Синие точки представляют собой значения экспериментальных данных, тогда как зеленая кривая представляет наиболее подходящую кривую с Δ T = 18,23 °С.

В тексте
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.