Как найти показания вольтметра в физике

Я в школе учился давно, поэтому не совсем уверен, что правильно понимаю термины «идеальный вольтметр» и » идеальный источник тока». Возможно это означает, что сопротивление вольтметра — бесконечно, а внутреннее сопротивление источника тока равно нулю. Если это так, то задачу можно решать так:

В приведённой схеме резистор R2 и сопротивление вольтметра (обозначим его R3, хотя оно и не очень нужно, просто для ясности) соединены параллельно. Их эквивалентное сопротивление (R) определяется по формуле 1/R=1/R2+1/R3, Получаем, что R=160 Ом. Ток в цепи равен 32/160=0,2 А. Полное сопротивление цепи 160+240=400 Ом, ЭДС источника*0,2=80 В.

Если сопротивление вольтметра R3 — бесконечное, то он не влияет на параметры цепи. Тогда полное сопротивление цепи равно 240+200=440 Ом, Ток в цепи равен 80/440=(2/11) А, Падение напряжения на резисторе R2 (именно это и покажет вольтметр) составит (2/11)*200=400/11 В, или приблизительно 36,(36) В. (36) обозначает 36 в периоде, т.е. 36,36363636… , или округлённо 36,37 В.

Для характеристики электрического тока в цепи у нас есть уже две физические величины: сила тока ($I$) и напряжение ($U$).

Для измерения силы тока мы используем амперметр. Значит, существует прибор и для измерения электрического напряжения. 

Как называют прибор для измерения напряжения? Он называется вольтметром.
На данном уроке мы рассмотрим его применение, правила подключения в электрическую цепь и другие его характеристики.

Вольтметр

Вольтметр — это прибор для измерения напряжения на полюсах источника тока или на каком-либо другом участке цепи.

Вольтметры по внешнему виду очень похожи на амперметры. Как их различать тогда? Если на шкале амперметра стоит буква $A$, то на шкале вольтметра будет обязательно стоять буква $V$.

Вольтметры бывают разных видов. Это зависит от их назначения. Вы чаще всего будете встречать или демонстрационный вольтметр (рисунок 1, а) или лабораторный (рисунок 1, б).

Как можно догадаться из названий приборов, демонстрационный вольтметр используется для демонстрации опытов, а лабораторный вы будете использовать при выполнении лабораторных работ.

На шкале каждого вольтметра есть высшее (максимальное) значение напряжения, которое он способен измерить. Превышение этого предела может привести к выходу прибора из строя.

Вольтметр в электрической цепи

Вольтметр подключают в электрическую цепь на определенный ее участок, на котором необходимо измерить напряжение. 

Обратите внимание на то, что если амперметр, последовательно подключенный в электрическую цепь, будет показывать одинаковое значение силы тока на всех участках цепи, то с вольтметром у нас совершенно другая история. Он предназначен для измерения напряжения на определенном участке цепи.

Для обозначения на схемах электрических цепей у вольтметра имеется свой условный знак (рисунок 2). Выглядит он, как кружок с буквой $V$ посередине.

Правила подключения вольтметра в электрическую цепь

• Зажимы вольтметра нужно подсоединять к тем точкам цепи, между которыми надо измерить напряжение. Такое подключение называется параллельным (рисунок 3).

Подробнее об особенностях параллельного подключения приборов вы узнаете в следующих уроках.

• У одного из зажимов вольтметра стоит знак “+”. Провод, подключенный к этому зажиму, необходимо соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока (рисунок 4). Если подключить прибор неправильно, то стрелка вольтметра просто начнет отклоняться в другую сторону.

Измерение напряжения вольтметром в электроприборе

Используя вышеприведенные правила, давайте попробуем на практическом опыте измерить напряжение. 

Допустим, его необходимо измерить на электрической лампе. Соберем электрическую цепь, состоящую из ключа, электрической лампы, источника тока. Подключим последовательно в эту цепь амперметр. Вольтметр подсоединяем параллельно к зажимам лампы (рисунок 5).

Схема такой электрической цепи будет выглядеть следующим образом (рисунок 6).

Обратите внимание, что амперметром здесь мы измеряем силу тока в электрической лампе. Вольтметром мы измеряем ее напряжение. 

Амперметр подключается последовательно, а вольтметр — параллельно.

А какой должна быть сила тока, проходящего через вольтметр, по сравнению с силой тока в цепи? Отличается ли она от силы тока во всей цепи?

Да, отличается. Вольтметр устроен таким образом, что сила тока, проходящего через него, крайне мала по сравнению с силой тока в самой электрической цепи. Это позволяет исключить изменение напряжения между теми точками, к которым подсоединен вольтметр. Это же и способствует получению более точных значений напряжения.

Измерение напряжения вольтметром на полюсах источника тока

Как с помощью вольтметра измерить напряжение на полюсах источника тока?

Чтобы узнать напряжение на полюсах источника тока, мы можем подключить вольтметр непосредственно к нему (рисунок 7). Не забывайте соблюдать полярность при подключении! Амперметр же включать в подобную цепь нельзя.

Это интересно: вольтамперметр

Упражнения

Определим цену деления такого вольтметра. Возьмем значения 0 и 3. От 0 до 3 у нас всего два деления. Получается, что $frac{3 space В — 0 space В}{2} = 1.5 space В$.
Цена деления этого вольтметра равна $1.5 space В$.

На рисунке 8 изображены показания этого вольтметра при:
$U_1 = 4.5 space В$ (рисунок 8, а);
$U_2 = 7.5 space В$ (рисунок 8, б);
$U_3 = 10.5 space В$ (рисунок 8, в).

Шкала вольтметра на рисунке 5 идентична шкале вольтметра на рисунке 1, а. Ее цену деления мы уже определили в предыдущем упражнении. Цена деления этого вольтметра равна $1.5 space В$.

На рисунке 5 вольтметр показывает значение напряжения, равное $1.5 space В$.

Схема такой цепи изображена на рисунке 9. Обратите внимание, что амперметр подключен в цепь последовательно, а вольтметр — параллельно.

Пробовали ли вы когда-нибудь надувать воздушные шарики на время? Один надувает быстро, а другой за это же время надувает гораздо меньше. Без сомнения, первый совершает большую работу, чем второй.

Рис. (1). Надувание шара

С источниками напряжения происходит точно так же. Чтобы обеспечить движение частиц в проводнике, надо совершить работу. И эту работу совершает источник. Работу источника характеризует напряжение. Чем оно больше, тем большую работу совершает источник, тем ярче будет гореть лампочка в цепи (при других одинаковых условиях).

Рис. (2). Лампа в цепи

Все видели надпись на домашних бытовых приборах «(220) В». Она означает, что на участке цепи совершается работа (220) Дж по перемещению заряда (1) Кл.

Обозначаются все вольтметры латинской буквой (V), которая наносится на циферблат приборов и используется в схематическом изображении прибора.

Рис. (3). Обозначение вольтметра

В школьных условиях используются вольтметры, изображённые на рисунке:

Рис. (4). Вольтметры

Основными элементами вольтметра являются корпус, шкала, стрелка и клеммы. Клеммы обычно подписаны плюсом или минусом и для наглядности выделены разными цветами: красный — плюс, черный (синий) — минус. Сделано это с той целью, чтобы заведомо правильно подключать клеммы прибора к соответствующим проводам, подключённым к источнику.

Рис. (5). Электроцепь с подключенным вольтметром и амперметром

Таблица (1). Вольтметры

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

Рис. (8). Электроцепь с переменным источником тока

Рис. (9). Мультиметр

Следует помнить, что высокое напряжение опасно.

Что будет с человеком, который окажется рядом с упавшим оголённым кабелем, находящимся под высоким напряжением?

Так как земля является проводником электрического тока, вокруг упавшего оголённого кабеля, находящегося под напряжением, может возникнуть опасное для человека шаговое напряжение.

При попадании под шаговое напряжение даже небольшого значения возникают непроизвольные судорожные сокращения мышц ног. Обычно человеку удаётся в такой ситуации своевременно выйти из опасной зоны.

Существует много знаков, предупреждающих о высоком напряжении. Вот некоторые из них.

Рис. (10). Предупреждающие об опасности знаки

Приветствую всех, сегодня в рамках курса «Основы электроники» мы рассмотрим основные способы измерения силы тока, напряжения и других параметров электрических цепей. Естественно, без внимания не останутся и основные измерительные приборы, такие как вольтметр и амперметр.

Измерение тока. Амперметр.

И начнем с измерения тока. Прибор, используемый для этих целей, называется амперметр, и в цепь он включается последовательно. Рассмотрим небольшой пример:

Как видите, здесь источник питания подключен напрямую к резистору, символизирующему полезную нагрузку. Кроме того, в цепи присутствует амперметр, включенный последовательно с резистором. По закону Ома сила тока в данной цепи:

I = frac{U}{R} = frac{12}{100} = 0.12

Получили величину, равную 0.12 А, что в точности совпадает с практическим результатом, который демонстрирует амперметр в цепи 👍

Важным параметром этого прибора является его внутреннее сопротивление r_А. Почему это так важно? Смотрите сами — при отсутствии амперметра ток определяется по закону Ома, как мы и рассчитывали чуть выше. Но при наличии амперметра в цепи ток изменится, поскольку изменится общее сопротивление, и мы получим следующее значение:

Если бы амперметр был абсолютно идеальным, и его сопротивление равнялось нулю, то он бы не оказал никакого влияния на работу электрической цепи, параметры которой необходимо измерить, но на практике все не совсем так, и сопротивление прибора не равно 0. Конечно, сопротивление амперметра достаточно мало (поскольку производители стремятся максимально его уменьшить), поэтому во многих примерах и задачах им пренебрегают, но не стоит забывать, что оно все-таки и есть и оно ненулевое.

При разговоре об измерении силы тока невозможно не упомянуть о способе, который позволяет расширить пределы, в которых может работать амперметр. Этот метод заключается в том, что параллельно амперметру включается шунт (резистор), имеющий определенное сопротивление:

R = frac{r_А}{nmedspace-medspace 1}

В этой формуле n — это коэффициент шунтирования — число, которое показывает во сколько раз будут увеличены пределы, в рамках которых амперметр может производить свои измерения. Возможно это все может показаться не совсем понятным и логичным, поэтому сейчас мы рассмотрим практический пример, который позволит во всем разобраться.

Пусть максимальное значение, которое может измерить амперметр составляет 1 А. А схема, силу тока в которой нам нужно определить имеет следующий вид:

Отличие от предыдущей схемы заключается в том, что напряжение источника питания на этой схеме в 100 раз больше, соответственно, и ток в цепи станет больше и будет равен 12 А. Напряжение в 1200 В взято исключительно ради примера, сокровенного практического смысла в этом нет ) Итак, из-за ограничения на максимальное значение измеряемого тока напрямую использовать наш амперметр мы не сможем. Так вот для таких задач и нужно использовать дополнительный шунт:

В данной задаче нам необходимо измерить ток I. Мы предполагаем, что его значение превысит максимально допустимую величину для используемого амперметра, поэтому добавляем в схему еще один элемент, который будет выполнять роль шунта. Пусть мы хотим увеличить пределы измерения амперметра в 25 раз, это значит, что прибор будет показывать значение, которое в 25 раз меньше, чем величина измеряемого тока. Нам останется только умножить показания прибора на известное нам число и получим нужное значение. Для реализации задумки мы должны поставить шунт параллельно амперметру, причем сопротивление его должно быть равно значению, которое мы определяем по формуле:

R = frac{r_А}{nmedspace-medspace 1}

В данном случае n = 25, но мы проведем все расчеты в общем виде, чтобы показать, что величины могут быть абсолютно любыми, принцип шунтирования будет работать одинаково.

Итак, поскольку напряжения на шунте и на амперметре равны, мы можем записать первое уравнение:

I_Аmedspace r_А = I_Rmedspace R

Выразим ток шунта через ток амперметра:

I_R = I_Аmedspace frac{r_А}{R}

Измеряемый ток равен:

Подставим в это уравнение предыдущее выражение для тока шунта:

I = I_А + I_Аmedspace frac{r_А}{R}

Но сопротивление шунта нам также известно (R = frac{r_А}{nmedspace-medspace 1}). В итоге мы получаем:

I = I_Аmedspace (1 + frac{r_Аmedspace (nmedspace-medspace 1)}{r_А}enspace) = I_Аmedspace n

Вот мы и получили то, что и хотели. Значение, которое покажет амперметр в данной цепи будет в n раз меньше, чем сила тока, величину которой нужно измерить.

С измерениями тока в цепи все понятно, давайте перейдем к следующему вопросу, а именно определению напряжения.

Измерение напряжения. Вольтметр.

Прибор, предназначенный для измерения напряжения, называется вольтметр. И, в отличие от амперметра, в цепь он включается параллельно участку цепи, напряжение на котором необходимо определить. И, опять же, в противоположность идеальному амперметру, имеющему нулевое сопротивление, сопротивление идеального вольтметра должно быть равно бесконечности. Давай разберемся, с чем это связано:

Если бы в цепи не было вольтметра, ток через резисторы был бы один и тот же и определялся по Закону Ома следующим образом:

I_1 = I_2 = frac{U}{R_1 + R_2} = frac{30}{10 + 20} = 1

Итак, величина тока составила бы 1 А, а соответственно напряжение на резисторе 2 было бы равно 20 В. С этим все понятно, а теперь мы хотим измерить это напряжение вольтметром и включаем его параллельно с R_2. Если бы сопротивление вольтметра было бы бесконечно большим, то через него просто не потек бы ток (I_B = 0), и прибор не оказал бы никакого воздействия на исходную цепь. Но поскольку r_В имеет конечную величину и не равно бесконечности, то через вольтметр потечет ток. В связи с этим напряжение на резисторе R_2 уже не будет таким, каким бы оно было при отсутствии измерительного прибора. Вот поэтому идеальным был бы такой вольтметр, через который не проходил бы ток.

Как и в случае с амперметром, есть специальный метод, который позволяет увеличить пределы измерения напряжения для вольтметра. Для осуществления этого необходимо включить последовательно с прибором добавочное сопротивление, величина которого определяется по формуле:

R_Д = r_Вmedspace (nmedspace-medspace 1)

Это приведет к тому, что показания вольтметра будут в n раз меньше, чем значение измеряемого напряжения. По традиции давайте рассмотрим небольшой практический пример:

Здесь мы добавили в цепь добавочное сопротивление R_3. Перед нами стоит задача измерить напряжение на резисторе R_2:medspace U_2 = R_2medspace I_2. Давайте определим, какой результат при таком включении выдаст нам вольтметр:

U_2 = I_2medspace R_2 = U_В + I_Вmedspace R_3

Подставим в эту формулу выражение для расчета сопротивления добавочного резистора:

U_2 = U_В + I_Вmedspace (r_Вmedspace (nmedspace-medspace 1)) = U_В + I_Вmedspace r_Вmedspace nmedspace-medspace I_Вmedspace r_В = U_В + U_Вmedspace nmedspace-medspace U_В = U_Вmedspace n

Таким образом: U_В = frac{U_2}{n}. То есть показания вольтметра будут в n раз меньше, чем величина напряжения, которое мы измеряли. Так что, используя данный метод, возможно значительно увеличить пределы измерения вольтметра.

В завершении статьи пару слов об измерении сопротивления и мощности.

Для решения обеих задач возможно совместное использование амперметра и вольтметра. В предыдущих статьях (про мощность и сопротивление) мы подробно останавливались на понятиях сопротивления и мощности и их связи с напряжением и сопротивлением, таким образом, зная ток и напряжение электрической цепи можно произвести расчет нужного нам параметра. Ну а кроме того есть специальные приборы, которые позволяют произвести измерения сопротивления участка цепи (омметр) и мощности (ваттметр).

В общем-то, на этом, пожалуй, на сегодня закончим, следите за обновлениями!