II.3. Последовательное и параллельное соединение проводников. Электроизмерительные приборы

 

Электрическая цепь представляет собой совокупность различных проводников и источников тока. В общем случае цепь является разветвленной
и содержит участки, где проводники могут соединяться последовательно
и параллельно.

При последовательном соединении проводников (рис. 2.3, а):

а) сила тока во всех частях цепи одинакова (I = const);

б) напряжение на зажимах цепи равно сумме падений напряжений на
отдельных участках ().

Учитывая эти положения и используя закон Ома для однородного участка, найдем общее (эквивалентное) сопротивление цепи:

или

(2.12)

Таким образом, общее сопротивление цепи, состоящей из последовательно соединенных проводников, равно сумме сопротивлений отдельных проводников.

	Рис. 2.3

При параллельном соединении проводников (рис. 2.3, б):

а) сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов,
протекающих в разветвленных участках цепи ();

б) падения напряжения в параллельно соединенных участках цепи
одинаковы и равны напряжению на зажимах цепи ().

С учетом этих положений и на основании закона Ома для однородного участка цепи найдем общее (эквивалентное) сопротивление цепи:

или

(2.13)

Таким образом, при параллельном соединении проводников складываются величины, обратные сопротивлениям отдельных участков цепи (проводимости ветвей).

Электроизмерительным прибором (ЭИП) называется устройство, предназначенное для измерения различных электрических величин.

Электроизмерительные приборы классифицируются в основном по двум признакам: по назначению (по роду измеряемой величины) и по принципу действия.

По назначению ЭИП подразделяются на

– приборы для измерения силы тока (амперметры, миллиамперметры, гальванометры);

– приборы для измерения напряжения (вольтметры, милливольтметры);

– приборы для измерения электрической мощности (ваттметры);

– приборы для измерения электрической энергии (счетчики электроэнергии);

– приборы для измерения электрического сопротивления (омметры);

– приборы для измерения частоты переменного тока (частотомеры).

По принципу действия ЭИП классифицируются на:

– магнитоэлектрические;

– электромагнитные;

– электродинамические;

– тепловые, индукционные, электростатические и др.

Магнитоэлектрические приборы пригодны только для измерения в цепях постоянного тока. Их работа основана на взаимодействии постоянного
магнитного поля подковообразного магнита и подвижного проводника
(катушки) с током. Магнитоэлектрические приборы отличаются высокой чувствительностью и точностью показаний. Шкала этих приборов равномерная, собственное потребление энергии невелико.

Электромагнитные приборы пригодны для измерения как в цепях постоянного, так и переменного тока. Их работа основана на взаимодействии
магнитного поля катушки, по которой протекает ток, с ферромагнитным сердечником. К достоинствам электромагнитных приборов относится
простота конструкции и нечувствительность к кратковременным перегрузкам. Вместе с тем отклонение стрелки не пропорционально возрастанию тока
в катушке, поэтому шкала прибора неравномерна. Точность измерения электромагнитных приборов меньше, чем магнитоэлектрических, показания зависят от внешних магнитных полей.

Электродинамические приборы пригодны для измерения в цепях постоянного и переменного токов. Их работа основана на взаимодействии магнитных полей, которые создаются двумя катушками с током. Если прибор
действует как амперметр, то катушки соединяются параллельно; в вольтметрах этой системы катушки включены последовательно. Электродинамические приборы применяются также для измерения мощности. Приборы этой системы обладают высокой точностью, однако имеют неравномерную шкалу, подвержены влиянию внешних электромагнитных полей, чувствительны к перегрузкам.

Тепловые приборы могут быть использованы в цепях постоянного и переменного токов. Их устройство основано на удлинении проводника при нагревании его протекающим током. Степень удлинения проводника позволяет судить о силе тока. Тепловые приборы не подвержены влиянию внешних магнитных полей, устойчивы к перегрузкам.

Измерение силы тока производится амперметрами, миллиамперметрами или микроамперметрами в зависимости от порядка измеряемой величины. Чтобы измерить силу тока в цепи, надо пропустить через измерительный прибор весь ток, поэтому амперметр включается в цепь последовательно. Сопротивление амперметра должно быть очень малым, так как в противном случае включение его повлекло бы за собой уменьшение силы тока в цепи.

Каждый измерительный прибор рассчитан на определенную максимальную для него силу тока или на предельное для него напряжение. Однако существуют способы расширения пределов измерения данным прибором.

Для измерения токов большей силы, чем та, на которую рассчитан
амперметр, применяют шунты. Шунт – это сопротивление, которое включается параллельно амперметру (рис. 2.4). Для того чтобы через амперметр прошла меньшая часть измеряемого тока, сопротивление шунта должно быть меньше сопротивления амперметра. Расчет сопротивления шунта
производится в зависимости от того, какую часть тока необходимо пропустить через прибор. Если нужно, чтобы через амперметр прошел ток I_A в n раз меньше измеряемого тока I, то сопротивление шунта можно определить следующим образом:

тогда

где R_Ш, R_A – сопротивления соответственно шунта и амперметра.

Шунты монтируются либо внутри корпуса амперметра, либо подклю-чаются снаружи. Для расширения диапазона измерения силы тока амперметр часто снабжают несколькими шунтами. Такой многопредельный
амперметр может быть использован для измерения различных по величине токов.

Измерение напряжения производится вольтметрами, милливольтметрами или микровольтметрами. Вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, где необходимо определить напряжение. Для того чтобы вольтметр
не повлиял на распределение токов в цепи, его сопротивление должно быть значительно больше, чем измеряемое сопротивление участка схемы.

Для расширения пределов измерения вольтметра к нему последовательно подключается известное добавочное сопротивление (рис. 2.5). Добавочное сопротивление необходимо для того, чтобы через прибор проходил ток,
не превышающий допустимой величины. Величина добавочного сопротивления может быть найдена следующим образом:

тогда

где R_Д, R_V – соответственно добавочное сопротивление и сопротивление вольтметра; n – число, показывающее, во сколько раз измеряемое напряжение больше того напряжения, на которое рассчитан прибор.

Добавочное сопротивление обычно монтируется в корпусе прибора,
и вольтметр градуируется с учетом этого сопротивления. Если внутрь вольтметра вмонтировать несколько соединенных последовательно добавочных сопротивлений, то таким прибором можно измерять напряжение
в широких пределах. Переключая вольтметр на разные пределы измерения, необходимо каждый раз находить цену деления шкалы прибора.

Для регулирования силы тока в цепи служат реостаты. Наибольшее применение получили реостаты со скользящим контактом. На реостате обычно указываются величина сопротивления и максимальное значение
силы тока, на которую он рассчитан. Реостат включается последовательно
с участком цепи, силу тока в котором необходимо регулировать (рис. 2.6).

Для регулирования напряжения, подаваемого на участок электрической цепи, применяются потенциометры или делители напряжения. Простейшим делителем напряжения служит реостат со скользящим контактом, включенный по схеме, приведенной на рис. 2.7. Изменяя положение скользящего контакта, можно на участок цепи подавать напряжение в пределах
0 – U _max, где U _max = e – значение ЭДС источника тока.