10.4 Elektryczne przyrządy pomiarowe
Cel dydaktyczny
- objaśniać, jak podłączyć woltomierz do obwodu, żeby zmierzyć napięcie;
- objaśniać, jak podłączyć amperomierz do obwodu, żeby zmierzyć natężenie prądu;
- objaśniać, jak stosować omomierz.
Prawo Ohma i prawa Kirchhoffa są przydatne do analizy i projektowania obwodów elektrycznych, ponieważ umożliwiają korzystanie z wyznaczonych spadków potencjału na poszczególnych elementach, natężenia płynącego prądu czy rezystancji elementów składających się na obwód elektryczny. Aby zmierzyć wartości tych parametrów, konieczne są odpowiednie przyrządy, które opisujemy poniżej.
Woltomierze i amperomierze
Woltomierze (ang. voltmeter) służą do pomiaru napięcia (różnicy potencjałów), natomiast amperomierze (ang. ammeter) umożliwiają pomiar natężenia prądu. Niektóre urządzenia pomiarowe w kokpitach samochodowych, aparatach cyfrowych, telefonach komórkowych czy wzmacniaczach są w rzeczywistości woltomierzami lub amperomierzami (Ilustracja 10.34). Wewnętrzna budowa najprostszych z tych mierników i sposób, w jaki są podłączone do monitorowanych przez nie systemów, dają głębszy wgląd w zastosowania połączeń szeregowych i równoległych.
Pomiar natężenia prądu za pomocą amperomierza
Aby zmierzyć natężenie prądu płynącego przez urządzenie lub element, należy szeregowo podłączyć do niego amperomierz. Stosuje się połączenie szeregowe, ponieważ przez obiekty połączone szeregowo przepływa prąd o takim samym natężeniu (Ilustracja 10.35, gdzie amperomierz oznaczono symbolem A).
Amperomierz musi mieć bardzo mały opór, będący ułamkiem . Jeżeli opór nie jest pomijalnie mały, umieszczenie amperomierza w obwodzie może zmienić równoważny opór obwodu i wpłynąć na natężenie mierzonego prądu. Ponieważ prąd przepływa przez miernik umieszczony w obwodzie, dla ochrony przed zbyt dużym natężeniem amperomierze zwykle wyposaża się w bezpieczniki.
Pomiar napięcia za pomocą woltomierza
Woltomierz podłączamy równolegle do każdego urządzenia, na którym mierzymy napięcie. Stosujemy połączenie równoległe, ponieważ na obiektach połączonych w ten sposób różnica potencjałów jest taka sama (Ilustracja 10.36; woltomierz oznaczono symbolem V).
Ponieważ woltomierze podłącza się równolegle, muszą one mieć bardzo duży opór. Woltomierze cyfrowe zamieniają napięcie analogowe na wartość cyfrową, aby ją pokazać na cyfrowym wyświetlaczu (Ilustracja 10.37). Niedrogie woltomierze mają opory rzędu dziesiątek , natomiast bardzo precyzyjne urządzenia - rzędu dziesiątek . Wartość oporu może się zmieniać w zależności od aktualnego zakresu miernika.
Mierniki analogowe i cyfrowe
W laboratorium fizycznym stosuje się dwa rodzaje mierników: analogowe i cyfrowe. Termin „analogowy” odnosi się do sygnałów lub danych reprezentowanych przez zmieniającą się w sposób ciągły wielkość fizyczną, taką jak napięcie lub natężenie prądu. Miernik analogowy (ang. analog meter) wykorzystuje galwanometr, który jest cewką z drutu o małej rezystancji, umieszczoną w polu magnetycznym, z dołączoną wskazówką przemieszczającą się po skali. Prąd przepływa przez cewkę, powodując jej obrót. Aby używać galwanometru jako amperomierza, należy przyłączyć opornik o niewielkim oporze równolegle z cewką. Aby używać go jako woltomierza, należy przyłączyć opornik o dużym oporze szeregowo z cewką. Miernik cyfrowy (ang. digitalmeter) wykorzystuje urządzenie nazywane przetwornikiem analogowo-cyfrowym i przedstawia natężenie prądu lub napięcie w postaci szeregu zer i jedynek, które są wykorzystywane do sterowania wyświetlaczem cyfrowym. Mierniki analogowe zostały w większości zastąpione przez mierniki cyfrowe.
Sprawdź, czy rozumiesz 10.8
Mierniki cyfrowe są w stanie mierzyć prądy o mniejszym natężeniu niż mierniki analogowe wykorzystujące galwanometry. Jak wyjaśnić ich zdolność do dokładniejszego pomiaru napięcia i natężenia prądu w stosunku do mierników analogowych?
Materiały pomocnicze
Aby sprawdzić swoją wiedzę na temat projektowania obwodów elektrycznych, w tym wirtualnym laboratorium możesz konstruować obwody elektryczne z oporników, źródeł napięcia, amperomierzy i woltomierzy.
Omomierze
Omomierz (ang. ohmmeter) jest urządzeniem służącym do pomiaru oporu elementu obwodu lub urządzenia. Działanie omomierza opiera się na prawie Ohma. Tradycyjne omomierze zawierały wewnętrzne (wbudowane) źródło napięcia (np. baterię), które po podłączeniu do badanego elementu obwodu powodowało przepływ prądu przez ten element. Następnie galwanometr był wykorzystywany do pomiaru natężenia prądu, a opór był wyznaczany z prawa Ohma. Nowoczesne mierniki cyfrowe wykorzystują stałoprądowe źródło do przepuszczania prądu przez badany element, mierząc spadek potencjału na tym elemencie. W każdym przypadku opór jest mierzony za pomocą prawa Ohma (), gdzie napięcie jest znane i mierzy się natężenie prądu albo znane jest natężenie prądu i mierzy się napięcie.
Element, którego opór jest mierzony, powinien być odizolowany od obwodu, w przeciwnym razie mierzony będzie równoważny opór obwodu. Omomierza nigdy nie powinno się podłączać do obwodu, do którego podłączone jest źródło napięcia i w którym płynie prąd. Może to spowodować uszkodzenie miernika.