Когда ток проходит через виток провода, изображенный на рисун­ке 1, то плоскость витка всегда устанавливается под прямым углом к магнитному полю вне зависимости от силы тока. Это происходит пото­му, что единственной парой сил, действующей на виток, является пара электромагнитных сил, а противопо­ложная пара сил отсутствует. Сила тока влияет лишь на скорость, с ко­торой движется рамка. Вместе с тем если подключить пружины, которые дают пару механических сил, противо­положную паре электромагнитных сил, то это устройство легко может быть превращено в прибор, измеряющий ток.

Гальванометр с подвижной катушкой

Гальванометр, с подвижной катуш­кой показан на рисунке 2. Он сос­тоит из катушки, представляющей собой алюминиевый шаблон со мно­гими витками покрытой эмалью мед­ной проволоки. Катушка подвижна от­носительно сердечника из мягкого же­леза между изогнутыми полюсами сильного магнита. Таким образом, ка­тушка движется в радиальном магнит­ном поле. Ее ось укреплена на под­шипниках из драгоценных камней, и ее движение ограничивается двумя во- лосковыми пружинами. Когда по ка­тушке идет ток, то устанавливается пара электромагнитных сил, которая заставляет катушку вращаться. Чис­ленное значение пары электромагнит­ных сил зависит от:

а)   силы тока;

б)   числа витков катушки;

в)   площади поперечного сечения катушки;

г)   силы магнитного поля.

Она не зависит от угла, на ко­торый катушка повернулась. Прак­тически единственной переменной в приборе, которая влияет на эту пару сил, является сила тока.

Катушка приходит в состояние покоя, когда пара механических сил, действующая со стороны волосковых пружин, равна и противоположна паре электромагнитных сил. Эта пара меха­нических сил пропорциональна углу, на который повернулась катушка. Сле­довательно, угол, на который пово­рачивается катушка, приходя в со­стояние покоя, пропорционален силе тока. Таким образом, деления на шка­ле расположены через равные про­межутки. Когда ток выключен, пара электромагнитных сил становится рав­ной нулю и пара механических сил возвращает катушку в ее равновес­ное положение. Если требуется галь­ванометр со стрелкой в центре, то нуль помещается в центре шкалы и стрелка устанавливается в это по­ложение. Теперь ток может прохо­дить в любом из двух направлений через этот прибор.

Примечание.

Это не означает, что гальванометр может быть использован для измерения переменного тока. Час­тота переменного тока гораздо выше частоты, с которой может колебаться катушка, и гальванометр указывает лишь среднее значение переменного тока, которое равно нулю.

Если прибор предназначен для ука­зания тока лишь одного направле­ния, то нуль помещается в конце шка­лы и стрелка устанавливается на эту отметку, когда катушка находится в состоянии покоя.

Примечание.

  Положение в покое катушки является одним и тем же вне зависимости от того, имеет ли прибор указатель в центре или в конце шкалы. Важно, чтобы положитель­ный вывод прибора с указателем в конце шкалы был присоединен к по­ложительному полюсу батареи. Иначе прибор может быть поврежден, когда катушка начнет вращаться в проти­воположном направлении.

На ранее мы описывали, что для измерения очень малых токов использовуется зеркаль­ный гальванометр.

Этот прибор пред­ставляет собой гальванометр с под­вижной катушкой, но с подвеской другого вида. Вместо опоры на ось катушка подвешивается на фосфорно­бронзовую полоску, к которой при­креплено зеркало (рис. 3, а). Ни­же катушки находится слабо скручен­ная спираль. Она вместе с фосфор- но-бронзовой полоской создает воз­вращающую пару сил. Механический указатель отсутствует. На зеркало па­дает луч света и, отражаясь, дает световую точку (с центральной отмет­кой) на шкале (рис. 3, б). В поло­жении покоя точка находится на ну­левой отметке. Когда катушка поворачивается, то зеркало поворачивает­ся под тем же углом, но отраженный луч поворачивается на вдвое больший угол. Таким образом, в зависимости от расстояния лампы и шкалы от зер­кала малое отклонение зеркала может дать достаточно большое отклонение светового пятна. Было время, когда лампочка и шкала были отделены от гальванометра, но сейчас широко практикуется встройка их в прибор.

Амперметры и вольтметры

Амперметр измеряет силу тока и должен включаться в цепь последо­вательно так, чтобы измеряемый ток проходил через него. Включение его в цепь не должно изменять силу тока, которую предполагается измерить.

Предположим, что для измерения тока в этой цепи в нее включен ам­перметр сопротивлением 5 Ом (рис. 4,6). Общее сопротивление R те­перь составляет 5 Ом + 5 Ом = 10 Ом, и новый ток составляет

I₁ = V / R₁ = 2B / 10 Oм = 0,2 Ом

Таким образом, включение этого амперметра уменьшит силу тока в цепи вполовину. Очевидно, что это крайний пример, но если бы сопротив­ление амперметра было бы всего 0,5 Ом, то уменьшение тока все же было бы слишком велико и поэтому неприемлемо. Если ток должен ос­таться неизменным при включении амперметра, то сопротивление амперметра должно быть очень мало — в идеале равно нулю.

Вольтметр применяется для изме­рения разности потенциалов между двумя точками в цепи, поэтому оче­видно, что он должен подключать­ся к чему бы то ни было в цепи парал­лельно в двух точках. Включение вольтметра в цепь не должно изменять разность потенциалов, которую им предполагается измерить.

Падение потенциала на каждом из резисторов сопротивлением 5 Ом каж­дый на рисунке 5, а дается по формуле

V = 5 Ом * 2 А = 1,0 В

Если вольтметр сопротивлением 5 Ом параллельно соединен со вторым со­противлением, то общее сопротив­ление этой части цепи станет 2,5 Ом. Таким образом, общее сопротивление цепи составляет теперь 5 Ом+ 2,5 Ом = = 7,5 Ом и разность потенциалов меж­ду концами этого сопротивления пада­ет до 0,67 В. Этот случай также явля­ется экстремальным, но ошибка, ко­торая возникает вследствие того, что сопротивление этого вольтметра того же порядка, что и резисторов в цепи, неприемлема. Включение вольтметра не изменит общего сопротивления цепи, если вольтметр имеет очень вы­сокое сопротивление — в идеале бес­конечное.

Примечание.

 Если очень большое сопротивление соединено параллельно с малым сопротивлением, то общее сопротивление этой комбинации для всех практических целей составляет это малое сопротивление.

Правила для амперметра и вольт­метра следующие:

1.  Амперметр должен иметь очень малое сопротивление и соединяться последовательно.

2.  Вольтметр должен иметь очень большое сопротивление и соединяться параллельно.

Преобразование измерительных приборов

Между амперметром с подвижной катушкой и вольтмеФром с подвиж­ной катушкой разница невелика. Дви­жение ее одинаково в обоих случаях; они отличаются лишь способом соеди­нения и типом используемого с ними сопротивления.

Миллиамперметр сопротивлением 40 Ом, который дает максимальное показание 5 мА, может быть исполь­зован как амперметр, если его моди­фицировать, присоединив к его выво­дам параллельно подходящий ре­зистор с малым сопротивлением. Этот резистор называется шунтом, посколь­ку он отводит большую часть тока от хрупкой катушки измерителя.

Миллиамперметр может быть так­же преобразован и в вольтметр. На этот раз резистор с высоким сопротив­лением должен быть подсоединен по­следовательно к миллиамперметру, и конец резистора, удаленный от при­бора, станет новым выводом А ' (рис. 6).

Приборы переменного тока

Амперметр с подвижной катушкой не измеряет переменного тока, но может быть приспособлен для этого, если последовательно с ним соеди­нить выпрямитель. Выпрямитель обе­спечивает прохождение заряда через прибор лишь в одном направлении. Амперметр с движущимся стержнем является прибором, который измеря­ет переменный ток непосредственно. Упрощенная модель этого прибора показана на рисунке 7. А—за­крепленный железный стержень, а В — железный стержень, имеющий возможность двигаться. Стержень В прикреплен к стрелке, и его дви­жение контролируется волосковой пружиной. Оба стержня находятся внутри катушки (короткого соленои­да).

Когда через катушку проходит ток, оба стержня намагничиваются так, что имеют полюсы N на одних и тех же концах. Таким образом, они отталкиваются по всей их длине. Стержень В движется от стержня А, и указатель движется по шкале. Сила каждого магнита зависит от силы тока, и поэтому сила отталкивания между ними пропорциональна квад­рату силы тока. Это делает шкалу неравномерной. Сначала деления рас­полагаются очень близко друг к другу, а затем промежутки между ними рас­ширяются.

На другом конце шкалы они снова сближаются. Так как оди­наковые полюсы всегда находятся на одних и тех же концах стержней А и В, то не имеет значения и направле­ние тока. Более того, не имеет зна­чение и то, что ток постоянно изме­няет свое направление. Этот прибор не подходит для измерения малых (или очень малых) токов, но он очень удобен для измерения больших токов.