Warto przeczytać

Do czego służy amperomierzAmperomierzamperomierz?

Amperomierz, to przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego. Wielkość tę podaje się w jednostkach zwanych amperami, stąd nazwa urządzenia. W praktyce, wartości natężenia prądu mierzy się w różnych zakresach – od mikroamperów (μmuA) do kiloamperów (kA).

Spotyka się też nazwę galwanometrGalwanometrgalwanometr, której używa się do miernika wskazującego bardzo małe wartości przepływającego prądu elektrycznego oraz jego kierunek.

Jak działa amperomierz?

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

Błąd paralaksyBłąd paralaksyBłąd paralaksyBłąd paralaksyKonstruując amperomierze analogowe, trzeba wykorzystać efekty, które zależą od wartości natężenia prądu elektrycznego. Najczęściej związane są one z wytwarzaniem pola magnetycznego przez przewodnik, w którym płynie prąd. Im większe jest natężenie prądu, tym większy efekt wywołany danym zjawiskiem. Każdy amperomierz analogowy ma część ruchomą i nieruchomą. Do ruchomej przymocowana jest wskazówka, która przesuwając się nad skalą umożliwia odczyt. Aby ustrzec się błędu paralaksyBłąd paralaksybłędu paralaksy należy na wskazówkę patrzeć pod kątem prostym do skali, co ułatwia umieszczone obok skali lusterko.

RimFwUQ93Huhy

Rys. 1. Ilustracja przedstawia zdjęcie, na którym widoczny jest zabytkowy amperomierz. Na jasnym, pomarańczowym blacie stołu widoczne jest prostokątne, brązowe urządzenie z białą, prostokątną tarczą na środku. Na tarczy widoczna jest skala w postaci wygiętego w górę łuku, nad którą widnieje czarna podziałka od zera do pięciuset mikroamperów. Znaczniki na skali wskazują wartości co sto mikroamperów w podziałce głównej i co dziesięć mikroamperów w jednostce pomocniczej. Pod skalą widoczny jest równoległy do niej odblaskowy łuk, w którym odbija się wskazówka urządzenia. Pod skalą widnieje symbol jednostki mikroamperów mała grecka litera mi i wielka litera A.

Rodzaje amperomierzy

Każdy rodzaj amperomierza wykorzystuje inne zjawisko fizyczne, związane z przepływem prądu elektrycznego przez przewodnik. Poniżej wymienione zostały niektóre z nich.

• Siła elektrodynamiczna działa na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym

Budowę miernika magnetoelektrycznegoMiernik magnetoelektrycznymiernika magnetoelektrycznego, działającego w oparciu o to zjawisko, przedstawiono na Rys. 2. Kolorem czerwonym oznaczono obracającą się cewkę, przez którą płynie mierzony prąd, nawiniętą na umieszczony na osi rdzeń. Rolę przewodnika z prądem, pełnią prostopadłe do płaszczyzny rysunku fragmenty cewki. Pole magnetyczne wytwarza magnes stały ukształtowany tak, by pole to było radialne. Dzięki temu, każdy fragment oddziałującego przewodnika z prądem jest zawsze prostopadły do wektora indukcji pola magnetycznego, niezależnie od położenia cewki ze wskazówką.

RVTU4PkppD9Z6

Rys. 2. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym przedstawiono schemat działania amperomierza magnetoelektrycznego. Na ilustracji widoczne są dwa magnesy w postaci szarych, pionowych prostokątów, jeden obok drugiego z okrągłą wnęką pomiędzy nimi. Lewy magnes podpisano jako biegun magnetyczny wielka litera N. Prawy magnes podpisano jako biegun magnetyczny wieka litera S. W środku wnęki widoczny jest szary okrągły element do którego przymocowana jest wskazówka w postaci szarego i długiego elementu zwężającego się ku górze. Pole magnetyczne pomiędzy magnesami zaznaczono w postaci czarnych strzałek skierowanych od bieguna wielka litera N do okrągłego elementu we wnęce i od tego elementu do bieguna wielka litera S. Na okrągły element, do którego przymocowana jest wskazówka urządzenia nawinięto cewkę, narysowaną w postaci czerwonej spirali oplatającej ten element. Przewody stanowiące końce cewki wyprowadzone są w dół ilustracji. Na przewodach doprowadzających prąd do cewki zaznaczono kierunek przepływu ładunków w postaci czerwonych grotów strzałek. Do punktu mocowania wskazówki przymocowano sprężynę, która ma za zadanie przesunięcie wskazówki do położenia początkowego, czyli wychylenia w lewo po ustaniu przepływu prądu. Sprężynę narysowano w postaci zielonej spirali wokół punktu mocowania wskazówki. Wskazówka skierowana jest na skalę widoczną w górnej części ilustracji i narysowanej w postaci wygiętego w górę łuku, na którym zaznaczono pionowymi i krótkimi odcinkami symboliczne jednostki.

Wzór opisujący siłę elektrodynamiczną, działającą na prostoliniowy przewodnik z prądem o natężeniu $I$, umieszczony w polu magnetycznym, ma postać:

gdzie:

$\overrightarrow{l}$ jest wektorem wzdłuż przewodnika o wartości równej jego długości i zwrocie zgodnym z kierunkiem prądu,

$\overrightarrow{B}$ jest wektorem indukcji pola magnetycznego.

Zgodnie z tym wzorem, na prostopadłe do płaszczyzny Rys. 2. przewodniki z prądem działa siła, której kierunek jest prostopadły zarówno do tych przewodników, jak i wektora indukcji pola magnetycznego, a wiec jest styczny do powierzchni rdzenia. Siła ta powoduje obrót cewki. Wartość siły, zgodnie z wzorem (1), jest równa

gdzie $\alpha$ jest kątem wypukłym pomiędzy kierunkami wektora $\overrightarrow{l}$ i wektora indukcji pola magnetycznego $\overrightarrow{B}$. Zgodnie z tym, co powiedziano wyżej, kąt ten jest zawsze równy $90°$, jeśli pole magnetyczne jest radialne.

Zaznaczona na Rys. 2. kolorem zielonym sprężyna przeciwdziała obrotowi cewki, więc ustala się pozycja równowagi, zależna od natężenia prądu, którego wartość możemy odczytać dzięki wskazówce ustawionej nad skalą miernika.

Warto zauważyć, że zwrot działania siły, czyli kierunek wychylenia strzałki, zależy od zwrotu wektora $\overrightarrow{l}$ we wzorze (1). Opisany amperomierz wskazuje więc kierunek przepływu prądu elektrycznego. Stosować go można tylko dla prądów stałych lub jednokierunkowych.

Taką konstrukcję mają między innymi galwanometry.

• Dwie cewki, przez które płynie prąd, oddziałują ze sobą magnetycznie

Miernik elektrodynamicznyMiernik elektrodynamicznyMiernik elektrodynamiczny zbudowany jest z dwóch cewek, ruchomej i stałej (Rys. 3.).

RRAURcXrJ58Ad

Rys. 3. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym zaprezentowano schemat budowy miernika elektrodynamicznego. Ilustracja wykonana została czarnymi liniami. W dolnej części ilustracji widoczny jest poziomy prostokąt, na którego prawym i lewym boku widoczne są cztery pionowe rzędy małych czarnych kółek, każdy zwierający sześć elementów. Rzędy czarnych kółek symbolizują cewkę stałą i podpisane zostały cyfrą jeden. Na środku prostokąta znajduje się okrągły punkt, do którego przymocowany jest koniec wskazówki, widocznej w postaci czarnej strzałki skierowanej w górę. Wokół punktu mocowania widoczna jest czarna spirala, symbolizująca sprężynę, której zadaniem jest stawianie oporu podczas wychyłu wskazówki. Punkt mocowania sprężyny znajduje się wewnątrz drugiego, mniejszego prostokąta, pochylonego w lewo, no którego końcach znajdują się dwa rzędy czarnych kółek, symbolizujących cewkę ruchomą. Cewka ruchoma podpisana została cyfrą dwa a do sprężyny przyporządkowano cyfrę trzy. Z punktu mocowania sprężyny wychodzą dwa przewody, narysowane w postaci czarnych odcinków z małymi prostokątami na środkach. Jeden z przewodów biegnie w dół i w prawo a drugi pionowo w dół. Przewód biegnący pionowo w dół jest uziemiony, co narysowano w postaci jego zetknięcia z symbolem ziemi, widocznym w postaci poziomej czarnej linii, pod którą widoczne jest zakreskowane czarnymi liniami pole. Wskazówka skierowana jest na skalę, widoczną w górnej części ilustracji w postaci wygiętego w górę łuku, nad którym zaznaczono czarnymi odcinkami symboliczne jednostki.

Jeśli przez obie cewki popłynie prąd elektryczny, którego wartość chcemy zmierzyć, pola magnetyczne będą ze sobą oddziaływać, powodując wychylenie cewki ruchomej i przymocowanej do niej wskazówki. Ten efekt jest niezależny od kierunku przepływu prądu. Amperomierz elektrodynamiczny można stosować do pomiaru natężenia prądu stałego i zmiennego, także szybkozmiennego. To urządzenia dokładne, ale drogie. Najczęściej używa się ich w laboratoriach, jako mierniki wzorcowe.

• W metalowej tarczy obrotowej indukują się prądy wirowe pod wpływem pól magnetycznych wytworzonych przez cewki, w których płynie zmienny prąd elektryczny

Prądy wirowe także wytwarzają pole magnetyczne, które oddziałuje odpychająco z polem cewki, powodując obrót tarczy. Dla zwiększenia momentu napędowego stosuje się mierniki dwustrumieniowe (Rys. 4.).

RPmlAHxDNPzDx

Rys. 4. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym przedstawiono schematycznie budowę miernika indukcyjnego dwustrumieniowego. Ilustrację wykonano czarnymi liniami. Na rysunku widoczny jest pionowy, cienki pręt stanowiący oś układu. W połowie wysokości pręta widoczna jest pozioma, okrągła tarcza. Do tarczy z prawej i lewej strony przymocowane są dwa transformatory elektryczne. Transformatory narysowano w postaci pionowych, prostokątnych ramek, na których zewnętrzne strony nawinięte są uzwojenia, widoczne w postaci czarnych spirali. Przez uzwojenie na lewym transformatorze płynie prąd o natężeniu wielka litera J z indeksem dolnym jeden a przez uzwojenie na prawym transformatorze płynie prąd o natężeniu wielka litera J z indeksem dolnym dwa. W ramionach rdzeni stycznych do poziomej tarczy wytwarzane jest pole magnetyczne. Strumień pola w lewym rdzeniu skierowany jest zgodnie z ruchem wskazówek zegara a w prawym rdzeniu przeciwnie. Strumień pola w lewym rdzeniu opisano wielką grecką literą fi z indeksem dolnym jeden a w prawym rdzeniu wielką grecką literą fi z indeksem dolnym dwa.

Miernik indukcyjnyMiernik indukcyjnyMiernik indukcyjnyMiernik indukcyjnyMiernik indukcyjny może być wykorzystywany tylko do pomiaru prądu zmiennego, gdyż stały prąd elektryczny nie indukowałby prądów wirowych w tarczy. Tego rodzaju konstrukcje stosuje się obecnie wyłącznie jako liczniki energii elektrycznej.

Jak podłączyć amperomierz do obwodu?

Jeżeli chcemy zmierzyć natężenie prądu przepływającego przez przewodnik w pewnym punkcie obwodu elektrycznego, musimy amperomierz włączyć szeregowo w ten obwód, czyli tak, jak pokazano na Rys. 5. W ten sposób, przez amperomierz przepłynie prąd, którego natężenie chcemy zmierzyć. Warto zauważyć, że miejsce włączenia urządzenia w obwód w tym przypadku jest obojętne. Zawsze zmierzy ono natężenie prądu (czyli szybkość przepływu ładunków elektrycznych, które przezeń przepływają).

Rkr6iHGTv3gW0

Rys. 5. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym przedstawiono sposób podłączenia amperomierza do badanego obwodu elektrycznego. Ilustracja podzielona jest na dwie części, prawą oraz lewą. Obie części przedstawiają obwody elektryczne w postaci poziomych prostokątów narysowanych czarnymi liniami. Na dolnych krawędziach obwodów widoczne są źródła napięcia w postaci dwóch równoległych, pionowych odcinków. Lewe odcinki są krótsze i grubsze a prawe są dłuższe i cieńsze. Na górnych krawędziach widoczne są z lewej strony elementy oporowe w postaci poziomych, mniejszych prostokątów, narysowanych czarnymi liniami. Na lewym rysunku, po prawej stronie od elementu oporowego, na górnej krawędzi obwodu widoczny jest okrągły punkt, na który wskazuje czarna strzałka biegnąca z góry i nieco z prawej strony. Na prawym rysunku, po prawej stronie od elementu oporowego, na górnej krawędzi widoczny jest symbol amperomierza. Symbol amperomierza to czarne kółko z wielką literą A w środku. Amperomierz podłączamy do układu szeregowo.

Jeżeli amperomierz ma swój własny opór elektryczny, to po włączeniu go szeregowo w obwód suma oporów w obwodzie zwiększy się. Spowoduje to zmniejszenie natężenia płynącego przez miernik prądu. Wobec tego, zmierzone natężenie prądu będzie miało wartość zmniejszoną, a nie pierwotną. Idealny amperomierz powinien mieć więc opór elektryczny równy zero. Wiadomo, że w praktyce jest to niemożliwe.

Jak zwiększyć zakres pomiarowy amperomierza?

Aby pomiar natężenia prądu był jak najbardziej dokładny, musimy zastosować odpowiedni zakres pomiarowy. Próba odczytania wartości rzędu kilku mA, gdy skala obejmuje pomiary do 100 A, zakończy się tym, że nawet nie zauważymy wychylenia wskazówki miernika.

Konstruktorzy amperomierzy stosują różne rozwiązania techniczne, by można było mierzyć natężenie prądu w różnych zakresach. W niektórych przypadkach, możemy sami zmienić zakres pomiarowy urządzenia. Jeżeli dołączymy do niego dodatkowy opornik (tzw. bocznik) tak, jak na Rys. 6., możemy mierzyć większe natężenia prądu, nie narażając delikatnego ustroju miernika na zniszczenie.

RmSRJPdWb2VQW

Rys. 6. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym zaprezentowano schematycznie bocznikowanie amperomierza magnetoelektrycznego. Na rysunku widoczny jest przewodnik z prądem, w postaci poziomej czarnej linii. Na środku przewodnika widoczny jest opornik o rezystancji wielka litera R z indeksem dolnym wielka litera B, narysowany w postaci poziomego prostokąta o czarnych krawędziach. Przez przewodnik i opornik płynie prąd w prawo, co zaznaczono w postaci czarnych grotów strzałek na przewodniku. Natężenie prądu w przewodniku opisano wielką literą I z indeksem dolnym wielka litera B. Do opornika podłączono równolegle amperomierz. Podłączenie równoległe narysowane w postaci poziomego prostokąta którego dolną krawędź stanowi przewodnik z prądem. Na górnej krawędzi prostokąta widoczny jest symbol amperomierza, w postaci okręgu o czarnej krawędzi z wielką literą A w środku. Rezystancja amperomierza opisana została wielką literą R z indeksem dolnym wielka litera A. Przez ramię obwodu, w którym znajduje się amperomierz płynie prąd o natężeniu Wielka litera I z indeksem dolnym wielka litera A. Do układu wpływa prąd z lewej strony, którego natężenie opisano wielką literą I. Wartość natężenia wielka litera I jest równa sumie natężeń płynących w obu ramionach obwodu.

Załóżmy, że chcemy $n$ razy zwiększyć zakres pomiarowy amperomierza. Całkowity prąd I, płynący przez urządzenie (Rys. 6.), wynosi więc $n\cdot I_A$. Równania pierwszego i drugiego prawa Kirchhoffa będą więc następujące:

Opór bocznika musi więc mieć wartość:

Z powodów konstrukcyjnych, bocznikowanie stosuje się wyłącznie dla miernika magnetoelektrycznego.

Słowniczek