Вмикання амперметра і вольтметра

Програми: KS3, cycle 4, Sek I

Мета¶

Навчитися вмикати амперметр послідовно, а вольтметр — паралельно до ділянки кола.

Теорія¶

Амперметр вимірює струм, що тече через нього самого, тому весь струм кола має пройти через прилад: розірвіть коло й увімкніть амперметр у розрив, послідовно. У послідовному колі сила струму всюди однакова, і амперметр показує те саме до резистора й після нього. Ідеальний амперметр не має опору. Реальний трохи додає до опору кола, і що менше він додає, то менше змінює силу струму, яку вимірює.

Вольтметр вимірює напругу між двома точками, яких торкаються його гнізда. Під’єднайте їх до кінців ділянки, паралельно до неї, і коло залишиться замкненим. Ідеальний вольтметр не споживає струму. Реальний відводить трохи струму в обхід ділянки, і що більший його опір, то менше він змінює напругу, яку вимірює.

Гніздо «+» приладу має бути з боку «+» джерела. Якщо поміняти проводи місцями, цифровий прилад покаже знак мінус, а стрілка стрілкового приладу відхилиться в протилежний бік, за нуль.

Якщо переплутати прилади, трапляються дві типові помилки:

амперметр, під’єднаний паралельно до ділянки, замикає її накоротко: струм обмежують лише внутрішній опір джерела і сам амперметр, і в реального приладу перегорає запобіжник;
вольтметр, увімкнений послідовно, майже зупиняє струм: шкоди від нього немає, але він показує майже всю напругу джерела замість напруги на ділянці.

Якщо в приладу більше ніж одна клема, кожна з них має свою межу вимірювання. Спершу під’єднайте провід до найбільшої межі й переходьте на меншу, лише коли показання в неї вміщується: прилад залишиться цілим, а стрілка займе більшу частину шкали. Прилади на нашій установці мають по два гнізда, і межу вимірювання вибирати не треба.

Установка¶

Джерело 6 В, амперметр, резистор 100 Ом; вольтметр під’єднано паралельно до резистора. Прилади в режимі DC.

Хід роботи¶

Запишіть показання амперметра і вольтметра.
Під’єднайте другий амперметр кабелями паралельно до резистора.
Приберіть зайвий амперметр і ввімкніть джерело клавішею живлення.
Увімкніть вольтметр у коло послідовно: видаліть кабель між амперметром і резистором і переставте кабелі вольтметра — кабель від «+» на вихід амперметра, кабель від «−» на ліве гніздо резистора. Запишіть показання обох приладів.

Очікуваний результат

Амперметр показує близько 59,6 мА, вольтметр — близько 5,96 В. Другий амперметр під’єднує свої 0,1 Ом паралельно до резистора 100 Ом, і майже весь струм іде через прилад. У колі залишається лише близько 0,8 Ом: внутрішній опір джерела, два амперметри і кабелі. За 6 В на 0,8 Ом закон Ома дає понад 7 А — набагато більше, ніж допускає джерело: захист від перевантаження вимикає його, а індикатор живлення блимає червоним. Після того як зайвий амперметр прибрано, а джерело ввімкнено, показання такі самі, як і раніше.

Вольтметр, увімкнений послідовно, показує близько 6,00 В, а амперметр — практично нуль (менше ніж мікроампер). У послідовному з’єднанні вольтметр і решта кола ділять напругу джерела пропорційно до своїх опорів: \(U_V = U \cdot R_V / (R_V + R)\). За 10 МОм проти приблизно 100 Ом вольтметрові дістаються всі 6 В, крім однієї стотисячної, сила струму становить лише близько 0,6 мкА, а на резисторі — близько 60 мкВ.

Запитання¶

Наскільки амперметр зменшує силу струму в колі і яку частку струму резистора відводить вольтметр?
Чому вольтметр, увімкнений послідовно, показує майже напругу джерела, а струм у колі зникає?

Відповіді

Без амперметра в колі є резистор 100 Ом, 0,5 Ом джерела і кабелі, і \(I = U / R\) дає близько 59,7 мА. Амперметр додає свої 0,1 Ом і знижує силу струму до 59,6 мА на своєму екрані, приблизно на 0,1%. Вольтметр, під’єднаний паралельно до резистора, відводить близько 5,96 В / 10 МОм ≈ 0,6 мкА — одну стотисячну від 59,6 мА, що йдуть через резистор.
У послідовному з’єднанні 10 МОм вольтметра додаються до приблизно 100 Ом решти кола, тому сила струму становить лише \(I = U / R\) ≈ 6 В / 10 МОм = 0,6 мкА. За такої сили струму на резисторі лише близько 60 мкВ, на амперметрі й джерелі ще менше, і майже всі 6 В припадають на вольтметр: напруги розподіляються пропорційно до опорів.