توصيل الأميتر والفولتميتر

المناهج: KS3, cycle 4, Sek I

فتح المختبر الكامل ↗

الهدف

تعلّم توصيل الأميتر على التوالي والفولتميتر على التوازي مع جزء من الدائرة.

الخلفية النظرية

يقيس الأميتر التيار الذي يمر فيه هو نفسه، لذا يجب أن يمر تيار الدائرة كله عبر الجهاز: اقطع الدائرة وضع الأميتر في موضع القطع، على التوالي. يمر في دائرة التوالي التيار نفسه في كل موضع، ويقرأ الأميتر القيمة نفسها قبل المقاومة وبعدها. الأميتر المثالي لا مقاومة له. أما الأميتر الحقيقي فيضيف إلى الدائرة مقاومة صغيرة، وكلما قلّ ما يضيفه قلّ تغييره للتيار الذي يقيسه.

يقيس الفولتميتر الجهد بين النقطتين اللتين يلمسهما مقبساه. صِلهما بطرفي الجزء، على التوازي معه، فتبقى الدائرة مغلقة. الفولتميتر المثالي لا يسحب أي تيار. أما الحقيقي فيسحب قليلًا من التيار حول الجزء، وكلما زادت مقاومته قلّ تغييره للجهد الذي يقيسه.

يكون المقبس «+» لجهاز القياس في جهة «+» المصدر. وإذا عُكس سلكا التوصيل أظهر الجهاز الرقمي علامة السالب، وانحرفت إبرة الجهاز التناظري في الاتجاه الخطأ، إلى ما دون الصفر.

تبديل موضعي الجهازين يؤدي إلى خطأين شائعين:

• الأميتر الموصول على التوازي مع جزء من الدائرة يُحدث عليه دائرة قصر: لا يحدّ التيار إلا المقاومة الداخلية للمصدر والأميتر نفسه، ويحترق المنصهر في الجهاز الحقيقي؛
• الفولتميتر الموصول على التوالي يكاد يوقف التيار كليًا: لا ضرر منه، لكنه يقرأ جهد المصدر كله تقريبًا بدلًا من الجهد على الجزء.

إذا كان للجهاز أكثر من طرف توصيل، فلكل طرف مدى قياس خاص به. صِل السلك أولًا بأكبر مدى، ولا تنتقل إلى مدى أصغر إلا حين تقع القراءة ضمنه: يبقى الجهاز سليمًا، وتستخدم الإبرة جزءًا أكبر من التدريج. لكل جهاز قياس في تجهيزنا مقبسان، ولا يوجد مدى للاختيار.

التجهيز

مصدر 6 V وأميتر ومقاومة 100 Ω؛ والفولتميتر موصول على التوازي مع المقاومة. جهازا القياس في وضع DC.

خطوات العمل

1. سجّل قراءتي الأميتر والفولتميتر.
2. اسحب أميترًا ثانيًا من لوحة العناصر وصِله بالكابلات على التوازي مع المقاومة.
3. احذف الأميتر الزائد وشغّل المصدر بزر التشغيل.
4. صِل الفولتميتر في الدائرة على التوالي: أزِل الكابل بين الأميتر والمقاومة وانقل كابلَي الفولتميتر، فالكابل من «+» إلى مخرج الأميتر، والكابل من «−» إلى المقبس الأيسر للمقاومة. سجّل قراءتي الجهازين.

النتيجة المتوقعة

يقرأ الأميتر نحو 59.6 mA والفولتميتر نحو 5.96 V. يضع الأميتر الثاني مقاومته 0.1 Ω على التوازي مع المقاومة 100 Ω، فيسلك التيار كله تقريبًا الطريق عبر الجهاز. ولا يبقى في الدائرة إلا نحو 0.8 Ω: المقاومة الداخلية للمصدر والأميتران والكابلات. ولجهد 6 V على 0.8 Ω يعطي قانون أوم أكثر من 7 A، وهو أكثر بكثير مما يسمح به المصدر: فتفصله الحماية من زيادة الحمل، ويومض مؤشر التشغيل بالأحمر. بعد حذف الأميتر الزائد وتشغيل المصدر تعود القراءات كما كانت.

الفولتميتر الموصول على التوالي يقرأ نحو 6.00 V، والأميتر يقرأ صفرًا عمليًا (أقل من ميكروأمبير). على التوالي يتقاسم الفولتميتر وبقية الدائرة جهد المصدر بالتناسب مع مقاومتيهما: \(U_V = U \cdot R_V / (R_V + R)\). ومع 10 MΩ مقابل نحو 100 Ω ينال الفولتميتر الجهد 6 V كله إلا جزءًا من مئة ألف منه، ولا يتجاوز التيار نحو 0.6 µA، ويكون على المقاومة نحو 60 µV.

الأسئلة

1. بأي قدر يُنقص الأميتر التيار في الدائرة، وما الحصة التي يسحبها الفولتميتر من تيار المقاومة؟
2. لماذا يقرأ الفولتميتر الموصول على التوالي جهد المصدر تقريبًا بينما يختفي التيار في الدائرة؟

الإجابات

1. من دون الأميتر تضم الدائرة المقاومة 100 Ω ومقاومة المصدر 0.5 Ω والكابلات، ويعطي \(I = U / R\) نحو 59.7 mA. يضيف الأميتر مقاومته 0.1 Ω فيخفض التيار إلى 59.6 mA الظاهرة على شاشته، أي بنحو 0.1%. أما الفولتميتر الموصول على التوازي مع المقاومة فيسحب نحو 5.96 V / 10 MΩ ≈ 0.6 µA، أي جزءًا من مئة ألف من 59.6 mA المارة في المقاومة.
2. على التوالي تُضاف مقاومة الفولتميتر 10 MΩ إلى مقاومة بقية الدائرة البالغة نحو 100 Ω، فلا يتجاوز التيار \(I = U / R\) ≈ 6 V / 10 MΩ = 0.6 µA. عند هذا التيار لا يكون على المقاومة إلا نحو 60 µV، وعلى الأميتر والمصدر أقل من ذلك، فيبقى الجهد 6 V كله تقريبًا على الفولتميتر: تتوزع الجهود بالتناسب مع المقاومات.