3-8, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ, ОСНОВАННЫЕ. НА МАГНИТНОМ ДЕЙСТВИИ ТОКОВ

А. Электромагнитные приборы. А1агнит притягивает же­лезные предметы—это одно из первых наблюдений, опи­санных в начале главы.

Но теперь мы знаем, что катушка проводов с током соз­дает магнитное поле подобно постоянному магниту. В этом легко убедиться, сравнивая между собой картины магнит­ных полей постоянного магнита (рис. 3-17) и катушки (рис. 3-20 и 3-21).

притягиваться железныеСпрашивается, не будут ли предметы к катушке с током?

магнитным полем внутрьОпыт подтверждает высказанное предположение;

Железо втягивается катушки.

На этом свойстве железа основано устройство электро­магнитного амперметра—самого простого и дешевого изме­рительного прибора (рис. 3-24). Железный лепесток С втя­гивается магнитным полем внутрь катушки А (для на­глядности рисунка катушка разрезана). На одной оси C лепестком закреплены указательная стрелка А прибора И грузик Ь—Он стремится вернуть стрелку к начальному положению.

Чем больше протекающий в обмотке ток, тем сильнее втягивается железный листок в магнитное поле, тем силь­нее отклоняется стрелка.

Изменение направления тока никак не повлияет на работу прибора. В самом деле, кусочки железа одинаково притягиваются к северным и южным концам магнита.

Поэтому электромагнитные приборы могут применяться и для измерения переменного тока.

Заметим, что электромагнитные приборы не отличаются высокой точностью. ‘

Б. Магнитоэлектрические приборы. Измерительные при­боры, основанные на взаимодействии между измеряемым ГОКОМ и полем постоянного магнита, называются магнито­электрическими.

Измеряемый ток пропускается через обмотку подвиж­ной рамки. Рамка находится между полюсами постоянного магнита и укреплена на оси, вокруг которой она может поворачиваться (рис. 3-15), увлекая за собой указательную стрелку. Такой прибор нами уже рассматривался в § 3-5.

Направление силы, с которой магнит действует на рам — <у C током, может быть найдено по правилу левой руки.

3 положении, показанном на чертеже, магнитное поле стремится поворачивать рамку в направлении хода часовой ‘трелки. Повороту рамки препятствует спиральная пружи — га, угол закручивания которой пропорционален действую — цей на рамку силе, т. е. пропорционален току T C Рамкой :вязана указательная стрелка прибора.

‘ Приборы магнитоэлектрической системы имеют поэтому равно* Iepnyio шкалу; двукратному увеличению тока соответствует двукрат — IOe отклонение стрелки.

Отклонение стрелки прибора влево или вправо зависит от направления тока. Поэтому приборы описываемой маг­нитоэлектрической системы пригодны только для измере­ния токов постоянного направления.

Сопоставление конструкций приборов электромагнит­ных и магнитоэлектрических позволяет легко обнаружить существенное различие между ними. Неподвижная катушка электромагнитных приборов может быть выполнена из толстого провода, по которому можно пропустить токи

электромагнитного
амперметра.
тродинамического измеритель-ного прибора.

В десятки и даже сотни ампер. Подвижная катушка — рамка магнитоэлектрических приборов—изготовляется нз тонких проводов, рассчитанных на очень малый ток (ты­сячные и даже миллионные доли ампера).

В. Электродинамические измерительные приборы. На Явлении взаимодействия двух токов основано устройство электродинамических измерительных приборов. Устройство такого прибора показано на рис. 3-25. Прибор содержит две катушки—подвижную и неподвижную. Подвижная ка­тушка укреплена на оси. C Той же осью связан указатель (стрелка). Появление токов в обеих катушках приводит к тому, что под влиянием силы их взаимодействия подвиж­ная рамка начнет поворачиваться. При направлении токов, показанном на рис. 3-25, рамка стремится повернуться про­тив часовой стрелки. В Этом легко убедиться, если вспом­нить, что параллельные провода отталкиваются один от 116 другого, когда токи в них направлены различно Ccn рис. 3-23).

Обратите внимание, что направление силы не изме­нится, если изменить направление тока во всей цепи, т. е. одновременно изменить направление тока и в подвиж­ной и неподвижной катушках. Различно направленные токи по-прежнему отталкивают друг друга.

Стрелка электродинамического прибора отклоняется н е — зависимо от направления тока. Поэтому он мо­жет применяться как в цепях переменного, так и в цепях постоянного тока.

Если предоставить рамку самой себе, то она установит­ся таким образом, что плоскости обеих катушек совпадут. Но тогда показания прибора были бы одинаковыми при любых значениях протекающих через катушки токов.

Поэтому приходится ограничивать величины угла пово­рота подвижной рамки. Этой цели служит спиральная пру­жина, противодействующая повороту рамки. Пружина бу­дет сжиматься тем сильнее, чем больше величина действую­щей на нее силы, т. е. тем больше сила взаимодействия между катушками, чем больше ток. На рис. 3-25 показано последовательное соединение подвижной и неподвижной катушек. Но катушки могут соединяться и параллельно. В последнем случае токи по катушкам распределяются обратно пропорционально сопротивлениям катушек ’.

Г. Добавочные сопротивления и добавочные ветви (шун­ты). Рассматривая тепловой измерительный прибор (см. § 2-14), мы подчеркивали общность и различие прибо­ров для измерения тока (амперметров) и напряжения (вольтметров). Как в тепловых, так и в магнитных прибо­рах отклонение стрелки зависит в равной мере от проте­кающего тока / и от приложенного напряжения U ведь эти две величины неразрывно связаны между собой:

U = IR,

Где Г—Сопротивление прибора.

Различие между амперметрами и вольтметрами заклю­чается, собственно говоря, только в подборе величины сопротивления.

Мы знаем (см § 2-14), что сопротивление вольтметра должно быть велико, сопротивление амперметра—мало.

* В обоих случаях сила, поворачивающая катушку, пропорциональ­на квадрату общего тока В отличие от приборов магнитоэлектрической системы шкала электродинамических приборов неравномерна: увеличе­нию тока в 2 раза соответствует увеличение отклонения в 4 раза.

А если сопротивление самой измерительной системы по­лучается не таким, как нужно?

В таком случае включают добавочное сопротивление или добавочную ветвь (шунт)-

Поясним сказанное примерами.

Пример 1. Пусть магнитоэлектрический прибор имеет сопротивле­ние г— 10 ом. и чувствительность 0,01 ма на одно деление при 100 деле­ниях полной шкалы. Это значит, что полное отклонение стрелки соот­ветствует 1 ма или 0,01 S=IO Ол ■ 1 ма.

Спрашивается, какое нужно включить добавочное сопротивление для того, чтобы воспользоваться этим прибором для измерения напря­жения до 10 S?

Решение (рис. 3-26). Для того чтобы при 10 в стрелка отклони­лась на 100 делений, нужно, чтобы при этом напряжении в цепи проте­кал ток ‘В 1 ма. Следовательно, сопротивление вольтметра должно рав­няться:

>0 в

Но сопротивление самого прибора 10 ом, значит нужно ввести добавочное сопротивление, равное:

Гд= 10 000— 10 = 9 990 ом.

Пример 2. Тем же прибором нужно воспользоваться как амперме­тром для измерения тока в 0,05 а.

Спрашивается, каким сопротивлением должна обладать ветвь, под­ключаемая параллельно к прибору?

Решение (рис. 3-27). Для того чтобы при токе 7=0,05 а стрелка отклонялась на 100 делений, нужно, чтобы напряжение на приборе рав­нялось одной сотой вольта (77=0,01 в).

Равноценная проводимость прибора и дополнительной параллельной ветви при этом должна быть равна

JL=2ι2L? JL

проводи-И 0,01 в ~ 5OM ■

■0,1=4,9

om

Проводимость самого прибора всего 0,1 Значит, MOCTb добавочной ветви должна составить 1 . „1

А ее сопротивление

J-g = о, 204 о. и.

Пример 3. Тот же прибор должен служить для измерения тока S А. Расчет (такой же, как в примере 2) показывает, что для этого нужно было бы В Добавочную ветвь включи1ь очень малое сопротив­ление.

Однако по техническим условиям трудно изготовить добавочную ■•зетвь, сопротивление которой меньше 0,01 ом. В таком случае можно 11<г

0.01 ма на j деление

рис. 3-28. прибор, имеющий внутреннее сопротивление 10 om и чувствительность 1 ма на 100 делений шкалы, снабжен добавочным сопротивлением гд = = 39,99 om и добавочной параллельной ветвью с со-противлением 0,01 ом. такой прибор может служить для измерения тока до 5 а.

Рис. . 3-26. Прибор, имею­щий внутреннее сопротив­ление 10 OM и чувствитель­ность 1 ма На 100 делений шкалы, снабжен добавоч­ным сопротивленне. м г^ = = 9 990 ом. Такой прибор может служить для изме­рения напряжения до 10 в.

Рис. 3-27. Прибор, имею­щий внутреннее сопротив­ление 10 OM и чувствитель­ность 1 ма на 100 делений шкалы, снабжен добавоч­ной ветвью (шунтом) с со­противлением Гд = 0,204 ол. Такой прибор может слу­жить для измерения тока до 0,05 а.

Включить последовательно с обмоткой добавочное сопротивление Гд, после чего параллельно подключить ветвь, 0,01 ом (рис. 3-28). Чему должно быть равно добавочное сопротивление Гд?

Решение. Общий ток 5 а должен разветвляться так, чтобы через прибор ше. п ток 1 ма, а остальной ток

Sa-I лш = 5,000 — 0,001 = 4,999 а

Проходил через добавочную ветвь с сопротивлением 0,01 ом.

Очевидно, что а таком случае на каждой из параллельных вет­вей установится одинаковое напряжение

U = 4,999 β∙0,01 ол/ = 0,04999 в.

Под действием такого напряжения через прибор должен про­ходить ток в 1 ма.

Этот ток должен пройти через сопротивление самого прибора 10 OM и через добавочное сопротивление Гд. Значит,

И =^0,001 а (г-P Гд)= 0,04999 в = 0,001 β∙(10 ом Гд).

В скобках стоит полное сопротивление второй параллельной ветви, содержащей неизвестное еще сопротивление г

Решая полученное уравнение, определи. м r^. Для этого разде­лим левую и правую части равенства на 0,001 а. Тогда получаем;

49,99 OM ==■ 1 о Om — J- г

Или

Гд = 39,99 ом.

Если вместо этого включим добавочное сопротивление 40 ом, погрешность будет совершенно ничтожной.

Из трех рассмотренных примеров видно, как можно рас­ширить область приме1нения одного и того же прибора.

Часто целый ряд добавочных сопротивлений и добавоч­ных ветвей встроен в самый прибор. Переводя переключа­тель (на самом приборе) в разные положения, можно при­менять один и тот же прибор для разных измерений. Часто в таких приборах наносится сразу несколько шкал для от­счета показаний. Каждой из этих шкал следует пользовать­ся при вполне определенных положениях переключателя.

Заметим в заключение, что малые сопротивления доба­вочных ветвей (шунтов) могут оказаться почти такого же порядка, как и сопротивления соединительных проводов. Поэтому обычно для присоединения этих ветвей приме­няются вполне определенные (калиброванные) провода.

Д. Электродинамический ваттметр. Электродинамический прибор C двумя катушками (рис. 3-25) может служить для измерения мощности, т. е. может применяться в качестве ваттметра.

Присоединим обмотки катушек электродинамического прибора к осветительной сети, как это показано на рис. 3-29 Неподвижная обмотка (обмотка тока) включена в разрез рабочего провода, и через нее проходит тот же ток, что и через лампы. Подвижная обмотка (обмотка напряжения) включена между рабочими проводами, т. е. находится под

потреби
тель
п генеоатору

рис.Jlo6aβθ4Hθe
‘^сопротивление

3-29. Измерение мощности электродинамическим прибором.

На рисунке показан разрез катушек — неподвижной (с толстыми проводами) H подвижно! (с тонкими проводами); эти катушки по­добны изображенным на рис. 3-25 Неподвижная катушка включена в рассечку проводов линии передачи энергии; через нее пролоднт весь ток, сопротивление этой катушки очень мало Подвижная ка­тушка через большое добавочное сопротивление подключена к про­водам линии так, как включается вольтметр. Отклонение (поворот) подвижной катушки пропорционален произведению тока и напря­жению линии. Таким образом, прибор показывает передаваемую по

Линии мощность. \

Тем же напряжением, что и лампы. Добавочное сопротив­ление в цепи этой обмотки уменьшает величину проходя­щего через нее тока.

Ток нагрузки, проходя по обмотке тока, создает вокруг нее магнитное поле. Магнитная индукция этого поля будет тем больше, чем больше величина тока нагрузки.

Поле обмотки тока действует на находящуюся в нем обмотку напряжения. Величина силы будет тем больше, чем больше магнитная индукция этого поля и чем больший ток проходит по обмотке напряжения-

Сила взаимодействия между обмотками про­порциональна произведению токов. Она тем больше, чем больше величина каждого из двух токов, чем больше их произведение.

Но величина тока в обмотке напряжения тем больше, чем больше напряжение на ее концах, т. е. чем больше на­пряжение сети. Значит, показание прибора зависит от про­изведения величин тока и напряжения.

I2I

Мы знаем, что произведение величин тока и напряже­ния равно электрической мощности (§ 2-6 и 2-12). Значит, при включении электродинамического прибора по схеме рис. 3-29 он будет показывать величину потребляемой в се­ти мощности. Такне приборы называются ваттметрами.

Пример 4. Измерения, произведенные при исследовании элек — тродииа. мического ваттметра, позволили установить такую фор­мулу:

/У =1 ООО-/,./,;

Здесь N — число делений шкалы, против которого устанавливается стрелка;

/,— ток в неподвижной катушке;

/,— ток в подвижной катушке, включаемой через добавочное сопротивление к сети (рис. 3-29).

Сопротивление цепи подвижной обмотки г = 5 000 ом (вместе C добавочным сопротивлением).

Спрашивается, скольким ватта. м передаваемой мощности соот­ветствует одно деление шкалы, если ваттметр включен по схеме, показанной на рис. 3-29?

Решение. Ответить на поставленный вопрос нетрудно. Для этого выразим ток подвижной катушки /, через напряжение и через сопротивление

И и

5 000

Подставим это выражение тока в формулу для числа делений шкалы

Λ^ = 1 000.∕,g-^=0,2.∕,∙l∕.

Но /,-17 это и есть мощность Р, которую нужно измерить.

Очевидно, что когда P=∕,∙t∕ = 5 вт, число делений шкалы Λ7 = 0,2∙5= 1.

А это значит, что пяти ваттам соответствует одно деле­ние.

Если на шкале ваттметра всего ICO делений, значит, предель­ная мощность, которую можно измерить таким ваттметром, состав­ляет 500 вт.

Вопрос. Сколько делений покажет стрелка нашего ваттметра, если ток /, = 2,5 а, а напряжение 17 = 120 в?

Ответ. По формуле

∕V = 0,2∙∕,-C∕

Находим

N = о,2-2,5-120 = 60 делений.

Но цена каждого деления 5 вт, значит, прибор показывает 300 вт, что и соответствует действительной мощности;

P = 2,5 а-120 в — 300 вт.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *