Warto przeczytać

Do czego służy woltomierz?

Woltomierz, to przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego. Wielkość tę podaje się w jednostkach zwanych woltami, stąd nazwa urządzenia. W praktyce, wartości napięcia mierzy się w różnych zakresach, od mikrowoltów (μmuV) do megawoltów (MV).

Jak połączyć woltomierz do obwodu?

Jeżeli chcemy zmierzyć napięcie na końcach elementu włączonego w obwód elektryczny, woltomierzwoltomierzwoltomierz musimy podłączyć do tych właśnie końców (Rys. 1.).

RuLnW9MiqoVXx

Rys. 1. Rysunek przedstawia schemat obwodu elektrycznego, w którym woltomierz mierzy napięcie na oporniku. Woltomierz oznaczony jest kółkiem, w środku którego jest litera duże V. To jest symbol woltomierza. Obok tego symbolu napisana jest litera duże R z indeksem V, co oznacza opór woltomierza oraz litera duże I z indeksem V, co oznacza natężenie prądu płynącego przez woltomierz. Opornik narysowany jest w postaci prostokąta – to jest symbol opornika. Obok niego napisana jest litera duże R oznaczająca opór oraz duże I z indeksem R oznaczające natężenie prądu płynącego przez opornik. Woltomierz i opornik połączone są równolegle, to znaczy kabelki odchodzące od prawej i lewej strony woltomierza połączone są odpowiednio z prawą i lewą stroną opornika.( Prawy z prawym, lewy z lewym). Ten układ podłączony jest do kabla dostarczającego prąd o natężeniu I. Na rysunku zaznaczone jest to w postaci strzałki i litery duże I.

Musimy jednak pamiętać, że takie połączenie spowoduje, że część prądu popłynie przez miernik, zamiast przez badany element. Mamy więc do czynienia z sytuacją, w której czynność dokonywania pomiaru wielkości fizycznej zmienia wartość tej wielkości. To nie jedyny taki przykład w fizyce.

Jak dokładnie można zmierzyć napięcie elektryczne?

Jak wynika z poprzednich rozważań, aby zmierzyć prawdziwą wartość napięcia na końcach elementu obwodu, musielibyśmy dysponować woltomierzemwoltomierzwoltomierzem o nieskończonym oporze. Wtedy przez miernik nie płynąłby prąd, więc pomiar byłby niezakłócony. W praktyce jest to niemożliwe, chociaż współcześnie konstruuje się woltomierze o niezwykle dużym oporze wewnętrznym, przekraczającym 100 TΩomega.

Warto zwrócić uwagę, że odczytana wartość napięcia jest zawsze mniejsza od prawdziwej. To przykład błędu systematycznegobłąd systematycznybłędu systematycznego pomiaru.

Prawdziwa wartość napięcia $U$ na końcach elementu $R$ na Rys. 1. wynosi

Jeżeli woltomierzwoltomierzwoltomierz ma opór wewnętrzny $R_V$, wskazuje on wartość

Po prostych przekształceniach otrzymujemy, że prawdziwa wartość napięcia panującego na końcach badanego elementu obwodu ma wartość:

Wzór ten potwierdza nasze wcześniejsze stwierdzenie, że idealny woltomierzwoltomierzwoltomierz powinien mieć nieskończony opór wewnętrzny. Przy $R_V$ dążącym do nieskończoności, iloraz oporów w tym wzorze dąży do zera, a więc zmierzona wartość $U_V$ dąży do prawdziwej, $U$. Ponieważ w rzeczywistości nie istnieją urządzenia spełniające ten idealny warunek, dokonując pomiarów trzeba dobrać taki woltomierz, by wartość wprowadzanego przezeń błędu mieściła się w granicach zakładanej przez nas niepewności pomiarowej. Jeśli to konieczne i możliwe, można też obliczyć poprawkę do pomiaru, według wzoru (3).

Jak zwiększyć zakres pomiarowy woltomierza?

Do rozszerzenia zakresu pomiarowego większości woltomierzywoltomierzwoltomierzy można zastosować dodatkowe oporniki połączone z miernikiem szeregowo, zwane posobnikami (Rys. 2.).

RByOJim4PZWPr

Rys. 2. Rysunek przedstawia opornik w kształcie prostokąta, nad którym napisana jest litera duże R z indeksem p oraz szeregowo połączony z nim woltomierz. Woltomierz narysowany jest jako kółko z literką duże V w środku. Obok tego symbolu napisana jest litera duże R z indeksem V, co oznacza opór woltomierza oraz zaznaczony jest w postaci strzałki spadek napięcia na woltomierzu. Nad strzałką jest litera duże U z indeksem V. Całkowity spadek napięcia na oporniku i woltomierz jest zaznaczony pod rysunkiem w postaci długiej strzałki oraz litery duże U z indeksem 1.

Jeżeli z miernika o zakresie do $U_V$ chcemy skorzystać w celu pomiaru napięć do wartości $U_1$, możemy napisać:

Ponieważ

po przekształceniach otrzymamy, że opór posobnika musi mieć wartość:

Możemy też zmniejszyć zakres pomiarowy woltomierzawoltomierzwoltomierza. Stosujemy wtedy dzielniki napięcia takie, jak na Rys. 3.

RjJDsit3ng0UX

Rys. 3. Rysunek przedstawia schemat elektryczny dzielnika napięcia do zmniejszania zakresu pomiarowego woltomierza. W postaci dwóch prostokątów narysowane są oporniki o wartościach oporu R i R z indeksem 1 połączone ze sobą szeregowo, czyli jeden za drugim. Napięcie na tych dwóch opornikach zaznaczone jest jako duża strzałka z literą duże U z indeksem V. Strzałka nie przedstawia wektora, ale prezentuje wartość napięcia- jest długa i obejmuje oba oporniki. Równolegle do opornika R z indeksem 1 zaznaczona jest mniejsza strzałka i obok niej litera duże U z indeksem 1.

Jak działa woltomierz?

Istnieją dwa rodzaje woltomierzywoltomierzwoltomierzy: analogowe, wskazujące wartość przez wychylenie wskazówki urządzenia mechanicznego oraz coraz częściej stosowane współcześnie mierniki cyfrowe, wyposażone w skomplikowane układy elektroniczne.

Woltomierze analogowe, to najczęściej amperomierzeamperomierzamperomierze (opisane w e‑materiale „Jak działa amperomierz i jak go podłączyć do obwodu”) z dołączonym szeregowo opornikiem $R_V$ o bardzo dużej wartości. W istocie, mierzą więc natężenie przepływającego przezeń prądu $I_V$, a na skali podana jest wartość, będąca wynikiem obliczenia:

Cyfrowe mierniki elektryczne na ogół skonstruowane są odwrotnie (to woltomierze, a nie amperomierze). Stosunkowo łatwo jest bowiem wyprodukować cyfrową sondęcyfrowa sondacyfrową sondę napięcia elektrycznego. Jeśli podłączymy ją równolegle do opornika o małym oporze, otrzymamy amperomierz. Wartość wskazań możemy wyliczyć ze wzoru (7).

Wobec powyższych faktów warto zauważyć, że bardzo łatwo skonstruować miernik uniwersalny, mierzący zarówno napięcie elektryczne jak i natężenie prądu. Wystarczy bowiem mierzyć jedną z tych wielkości oraz w odpowiedni sposób podłączyć oporniki o znanej wartości.

Istnieje jednak taki rodzaj woltomierzawoltomierzwoltomierza analogowego, którego zasada działania nie opiera się o wykorzystanie amperomierzaamperomierzamperomierza. To miernik elektrostatyczny. W praktyce, jest to kondensator z jedną okładką stałą, a drugą ruchomą. Oddziaływanie elektryczne okładek powoduje ruch wskazówki przymocowanej do części ruchomej. Takim przyrządem można mierzyć nawet bardzo duże wartości napięcia elektrycznego, a jego opór wewnętrzny jest prawie nieskończony.

Słowniczek