fiz
.pdf
|
как и всякий ток, в противоположном движению электрона направлении |
|
(рис. 160-1). Этот ток крутится по контуру, образованному орбитальным |
|
движением электрона. |
|
Каждый орбитальный электронный ток возбуждает вокруг себя |
|
собственное магнитное поле, направление вектора индукции которого Be |
|
зависит от направления этого тока. |
Рис. 160-1 |
Существуют вещества, у которых векторы Be всех орбитальных |
электронных токов, циркулирующих внутри каждого атома полностью разориентированы так, что результирующее магнитное поле каждого атома у таких веществ отсутствует (рис. 160-2). При внесении
такого вещества во внешнее магнитное поле индукцией B0 в его атомах вследствие
электромагнитной индукции возникают дополнительные индукционные электронные токи, направленные так, что все их магнитные поля согласно правилу Ленца окажутся антинаправлены
Рис. 160-2
внешнему магнитному полю B0 (рис. 160-3).
Поскольку электронов много, все их |
индуцированные магнитные поля, |
Рис. 160-3 |
складываясь и будучи все вместе антинаправлены внешнему магнитному полю B0 , ослабят это внешнее |
||
магнитное поле. При этом индукция Bрез результирующего магнитного поля будет равна |
|
|
|
|
N |
разности индукции внешнего магнитного поля B0 и индукции суммарного магнитного поля Bi , |
||
|
|
i 1 |
создаваемого всеми инцуцированными электронными токами, |
|
|
|
N |
|
Bрез |
B0 Bi . |
|
i 1
Явление возникновения магнитного поля, созданного индуцированными электронными токами в атомах вещества и направленного против внешнего магнитного поля, в которое помещено это вещество, называется диамагнетизмом.
Вещество, у которого все векторы индукции магнитных полей, созданных орбитальными электронными токами атома, полностью разориентированы в отсутствие внешнего магнитного поля,
называются диамагнетиками.
К диамагнетикам относятся инертные газы, некоторые металлы (золото, серебро, ртуть), вода и многие органические вещества. Например, у гелия два электрона в его атомах вращаются по своим орбитам так, что векторы индукции магнитных полей, созданные их орбитальными электронными токами, антинаправлены и численно равны друг другу (рис. 160-4), поэтому результирующее магнитное поле орбитальных электронных токов у атома гелия отсутствует.
При внесении диамагнетика во внешнее магнитное поле он ослабит внешнее
Рис. 160-4 |
поле, правда, уменьшение внешнего поля будет очень невелико. |
|
Величина, показывающая, во сколько раз индукция результирующего |
||
|
магнитного поля в магнетике меньше индукции магнитного поля в вакууме B0 , называется относительной магнитной проницаемостью диамагнетика ,
Bрез
B0
Магнитная проницаемость диамагнетиков меньше единицы, ведь у них Bрез меньше B0 . При этом она очень невелика, порядка 10-6. Очень сильный диамагнетик – висмут, у него = 0,9998, почти 1.
Если диамагнетик вынести из внешнего магнитного поля, он полностью размагнитится.
В природе существуют другие вещества, в атомах которых векторы индукции магнитных полей орбитальных электронных токов имеют некоторую преимущественную ориентацию в пределах каждого
атома даже тогда, когда внешнее магнитное поле отсутствует, поэтому результирующее магнитное поле каждого атома у них отлично от нуля. Такие вещества называются парамагнетиками, а само явление
|
возникновения у атома собственного магнитного поля, отличного от нуля и |
|
|
в отсутствие внешнего поля, – парамагнетизмом. |
|
|
Правда, результирующее магнитное поле всех атомов парамагнетика в |
|
|
отсутствие внешнего магнитного поля тоже отсутствует, так как магнитные |
|
|
поля отдельных атомов из-за их теплового движения беспорядочно |
|
Рис. 160-5 |
ориентированы по всему объему парамагнетика |
(рис. 160-5). Но если |
|
парамагнетик внести во внешнее магнитное поле, |
то все векторы Be |
|
магнитных полей отдельных атомов получат преимущественную ориентацию в |
|
|
направлении внешнего магнитного поля B0 (рис. 160-6). |
|
|
Благодаря этому суммарное магнитное поле парамагнетика станет отлично от |
|
|
нуля, т. е. парамагнетик намагнитится. Его собственное магнитное поле окажется |
|
|
сонаправ-ленным с внешним магнитным полем, |
поэтому индукция |
Рис. 160-6 |
результирующего магнитного поля будет больше индукции внешнего магнитного |
|
поля B0 и будет равна сумме индукции внешнего магнитного поля B0 и суммарной индукции магнитных полей отдельных атомов парамагнетика,
N
Bрез B0 Bi .
i 1
Кпарамагнетикам относятся некоторые металлы: платина, алюминий, щелочные металлы, кислород
идругие вещества.
Относительная магнитная проницаемость парамагнетиков больше единицы, ведь Bрез больше B0 , но
ненамного. Если парамагнетик удалить из внешнего магнитного поля, то он полностью размагнитится. Размагнитить его можно и во внешнем магнитном поле путем нагревания. При этом парамагнетик превратится в диамагнетик. Температура, при которой это произойдет, называется точкой Кюри.
Если стержень из парамагнетика mn поместить между разноименными полюсами магнитов, расположив его перпендикулярно магнитным линиям (рис. 160-7, а), то действующие со стороны магнитного поля силы «развернут» стержень, ориентировав его вдоль магнитных линий (рис. 160-7, б).
а |
б |
Рис. 160-7
А если такой же стержень, но из диамагнетика, расположить вдоль магнитных линий, то магнитное поле «развернет» его перпендикулярно им. С помощью этого простого опыта можно определить, к какому магнетику относится вещество, из которого изготовлен стержень. При этом работа поворота стержня будет осуществляться за счет его внутренней энергии, поэтому внутренняя энергия стержня будет уменьшаться и он будет охлаждаться.
161. ФЕРРОМАГНЕТИКИ. ПЕТЛЯ ГИСТЕРЕЗИСА
Кроме диа- и парамагнетиков в природе существуют вещества, у которых в отсутствие внешнего магнитного поля отличается от нуля индукция магнитных полей не только у отдельных атомов, но и у целых областей магнетика размерами до одного микрона.
Явление возникновения собственного магнитного поля у больших групп атомов вещества,
называется ферромагнетизмом. Сами вещества, обладающие ферромагнетизмом, называются ферромагнетиками, потому что ферромагнетизм прежде всего был обнаружен у железа и его сплавов.
Природа ферромагнетизма обусловлена свойствами самих электронов ферромагнетиков. Каждый электрон обладает, кроме заряда и массы, еще одной характеристикой, собственной, т. е. присущей только ему.
Эта характеристика называется спином электрона. Поведение электрона в атоме характеризуется его спиновым магнитным полем. У неферромагнитных материалов спиновые магнитные поля взаимно компенсируют друг друга, так как все спины электронов в атомах этих веществ антинаправлены друг другу. А у ферромагнетиков часть спиновых магнитных полей электронов сонаправле-на, в результате чего в ферромагнетике возникают области с некомпенсированным магнитным полем, сохраняющиеся и в отсутствие внешнего магнитного поля, которые уже намагничены.
Области самопроизвольного намагничивания ферромагнетика называются доменами. У некоторых ферромагнетиков домены так велики, что их можно наблюдать в микроскоп (порядка 10-4 – 10-2 см).
Векторы индукции магнитных полей отдельных доменов по всему объему ферромагнетика разориентированы (рис. 161-1), поэтому весь ферромагнетик (например, кусок железа) в отсутствие внешнего магнитного поля магнитными свойствами не обладает.
Если ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле, то векторы индукции магнитных полей отдельных доменов получат преимущественную ориентацию, стремясь быть сонаправленными с вектором индукции внешнего магнитного поля.
Этому препятствует тепловое движение молекул ферромагнетика. Чем больше индукция внешнего магнитного поля, тем больше векторов индукции магнитных полей отдельных доменов ориентируются в направлении внешнего поля. При достижении некоторой достаточно большой индукции внешнего
магнитного поля Bнас векторы индукции магнитных полей всех доменов окажутся сонаправленными с вектором индукции внешнего поля. Это состояние называется насыщением ферромагнетика (рис. 161-2).
|
При насыщении суммарное магнитное поле всех доменов ферромагнетика |
|||||
|
складывается с внешним магнитным полем, поскольку эти поля сонаправлены. |
|||||
|
При этом индукция результирующего магнитного поля Bрез оказывается во много |
|||||
|
раз больше индукции внешнего магнитного поля |
B0 , поэтому |
относительная |
|||
Рис. 161-2 |
|
|
Bрез |
|
|
|
магнитная проницаемость феромагнетиков |
B0 |
достигает |
очень большой |
|||
|
||||||
величины. У отдельных ферромагнетиков она колеблется от тысяч до миллионов.
Если намагниченный ферромагнетик вынести из внешнего магнитного поля, то в отличие от диа- и парамагнетиков он не размагнитится, а будет сохранять намагниченность в течение длительного времени. Это объясняется действием между доменами сил, подобных силам трения, которые называются обменными силами. Обменные силы препятствуют самопроизвольному возвращению доменов в первоначальное состояние, поэтому ферромагнетик сохраняет остаточную намагниченность и в отсутствие внешнего магнитного поля.
Отношение индукции внешнего магнитного поля B0 , созданного в вакууме, к магнитной постоянной0 называется напряженностью внешнего магнитного поля H .
H B0
0 Напряженность наряду с индукцией характеризует силовые свойства магнитных полей.
Будем увеличивать напряженность H внешнего магнитного поля, в которое помещен не намагниченный ферромагнетик, и измерять при этом зависимость индукции результирующего магнитного поля в ферромагнетике Bрез от величины напряженности H внешнего магнитного поля. Если
построить график, показывающий, как изменяется индукция результирующего магнитного поля в ферромагнетике с изменением напряженности внешнего
Рис. 161-3 магнитного поля, то получится замкнутая кривая, изображенная на рис. 161-3. Рассмотрим эту кривую. Точка 0 соответствует состоянию, когда внешнее
магнитное поле отсутствует и ферромагнетик не намагничен. Будем увеличивать напряженность внешнего магнитного поля H . При этом ферромагнетик начнет намагничиваться все сильнее и сильнее, т. е. все больше и больше магнитных полей доменов окажутся сонаправленными с внешним магнитным полем, поэтому индукция результирующего поля Bрез будет нарастать (участок 0-1).
При некоторой достаточно большой напряженности Hнас внешнего магнитного поля у
ферромагнетика наступит состояние насыщения, когда магнитные поля всех доменов окажутся сонаправленными с внешним магнитным полем (точка 1 графика).
После достижения состояния насыщения станем уменьшать напряженность H внешнего магнитного поля. При этом индукция результирующего поля ферромагнетика тоже станет уменьшаться, но не по прежней кривой 0-1, а медленнее, по кривой 1-2, т. е. убыль результирующего магнитного поля ферромагнетика будет отставать от убыли внешнего магнитного поля. Это отставание называется гистерезисом (по-гречески гистерезис – запаздывание).
Когда напряженность внешнего магнитного поля H станет равна нулю, индукция результирующего магнитного поля будет отлична от нуля, т. е. ферромагнетик с исчезновением внешнего магнитного поля полностью не размагнитится. Величина индукции магнитного поля ферромагнетика, оставшейся после выключения внешнего магнитного поля, называется остаточным намагничиванием Bост .
Чтобы теперь размагнитить ферромагнетик, надо изменить направление внешнего магнитного поля на противоположное и увеличивать напряженность этого противоположно направленного поля. Тогда результирующее магнитное поле ферромагнетика будет ослабевать (участок 2-3). При некоторой отрицательной напряженности внешнего магнитного поля ферромагнетик полностью размагнитится, т. е. индукция его результирующего поля станет равна нулю (точка 3). Напряженность внешнего магнитного поля, при которой ферромагнетик полностью размагнитится, называется его коэрцитивной силой H K .
Коэрцитивная сила характеризует способность данного ферромагнетика сохранять состояние намагниченности. Чем больше коэрцитивная сила, тем труднее размагнитить ферромагнетик, и наоборот.
Если дальше увеличивать внешнее магнитное поле, то вновь можно достичь состояния насыщения (участок 3-4). Уменьшая затем внешнее магнитное поле, направленное противоположно первоначальному, до нуля (участок 4-5), можно снова достичь остаточной намагниченности (точка 5). Увеличивая вновь внешнее магнитное поле (участок 5-6), можно вновь размагнитить ферромагнетик (точка 6).
В итоге будет построена замкнутая кривая, которая называется петлей гистерезиса. Петля гистерезиса характеризует способность данного ферромагнетика к намагничиванию. Если петля гистерезиса узкая (рис. 161-4, а), т. е. коэрцитивная сила ферромагнетика H K мала, то такой
ферромагнетик легко размагнитить и перемагнитить, поэтому ферромагнетики с узкой петлей гистерезиса называются мягкими ферромагнетиками. Мягкие ферромагнетики применяют для изготовления сердечников трансформаторов, используют в статорах и роторах электродвигателей и генераторов тока.
а |
б |
Рис. 161-4
Ферромагнетики с широкой петлей гистерезиса (рис. 161-4, б) называются жесткими, потому что их трудно размагнитить. Из жестких ферромагнетиков изготавливают постоянные магниты, которые способны длительное время сохранять намагниченность.
Ферромагнитными свойствами вещества обладают только в кристаллическом состоянии и при температуре ниже их точки Кюри. При температуре выше точки Кюри тепловое движение молекул ферромагнетика приведет к полной разориентации доменов и ферромагнетик уже не будет обладать
способностью к намагничиванию. При таких температурах бывший ферромагнетик становится слабым парамагнетиком.
Кроме соединений железа, к ферромагнетикам относятся никель, кобальт и некоторые другие вещества.
Ферромагнетики находят широкое применение в современной науке и технике. Их применяют в генераторах тока, электродвигателях, трансформаторах, для магнитной записи и хранения информации, в современных ЭВМ, в электроизмерительных приборах и т. д.
162. МАГНИТНАЯ ЗАПИСЬ И ХРАНЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ. МИКРОФОН И ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ
А. Магнитная запись
Принцип магнитной записи информации основан на ориентации частиц ферромагнетика во внешнем магнитном поле и ее сохранении.
Для осуществления магнитной записи ферромагнетик измельчают до состояния, когда отдельные частицы становятся однодоменными. Для железа размер таких частиц примерно 3∙10-8 м. Затем рабочий магнитный слой в виде порошка наносят на ленту или диск, имеющий пластмассовую основу.
Магнитное поле электромагнита 1 (рис. 162-1) намагничивает рабочую поверхность движущейся ленты 2. Под действием этого поля, несущего определенную информацию, однодоменные частицы ферромагнетика, нанесенного на ленту, ориентируются определенным образом. При этом остаточная намагниченность частиц пропорциональна силе тока, текущего по обмотке головки магнитофона. Этот ток создающет свое магнитное поле, которое несет информацию и управляет поведением частиц ферромагнетика на ленте.
Рабочий слой, содержащий частицы ферромагнетика, намагничивается последовательно то в одном, то в противоположном направлении. При синусоидальном сигнале записи информации длина каждой области однонаправленного намагничивания равна половине длины волны записи, поэтому такая область называется полуволновой. Чем выше частота записываемого сигнала и чем меньше скорость записи, тем короче полуволновые области.
Магнитный поток, создаваемый каждой полуволновой областью, замыкается через внешнее пространство. Внутри каждой полуволновой области частицы ориентируются в одном направлении. При этом в пространстве, окружающем эту область, возникает магнитное поле, отображающее закон изменения намагниченности частиц ферромагнетика, соответствующий полученной информации.
При воспроизведении записанного сигнала магнитный поток, создаваемый магнитным полем, пересекает проводящий контур головки, воспроизводящей сигнал, индуцируя в ней электрический ток, который затем преобразуется в звуковой или световой.
Всовременных ЭВМ на гибких магнитных дисках внешней памяти машины может быть записано до 2,88 мегабайт информации, т. е. 2∙1023 единиц количества информации – бит. Емкость доступных для широкого использования жестких магнитных дисков («винчестеров») составляет десятки гигабайт, т. е. в 10000 раз больше, чем на гибких магнитных дисках.
Для улучшения качества записи и ее сохранности магнитные порошки делают из ферромагнетика достаточно большой коэрцитивной силой, который трудно размагнитить. Для стирания записи к магнитной головке стирания информации подводится переменное напряжение ультразвуковой частоты от специального генератора.
Ввидеомагнитофоне на магнитную ленту записывают не только звуковой, но и световой сигнал, который затем управляет электронным лучом в кинескопе телевизора.
Микрофоном называют устройство, преобразующее звуковые волны в электрический ток, изменяющийся со звуковой частотой.
Звуковые волны, возбуждаемые в воздухе вибратором, достигают мембраны микрофона М (рис. 162- 2, а), приводя ее в колебательное движение. Под мембраной находится материал, способный изменять свое электрическое сопротивление R в процессе колебаний мембраны (например, угольный порошок, сопротивление которого уменьшается, когда мембрана сдавливает его частички). При этом изменяется
сила тока в цепи микрофона, в которую входит источник постоянного тока И, питающий цепь микрофона. Изменение силы тока в цепи микрофона вместе с его сопротивлением будут повторять форму и частоту звуковой волны, колеблющей мембрану.
а |
б |
Рис. 162-2
Внастоящее время вместо угольных используются динамические микрофоны, принцип действия которых основан на возбуждении ЭДС индукции, изменяющейся со звуковой частотой при колебаниях катушки микрофона в магнитном поле постоянного магнита.
Вгромкоговорителе (динамике) происходит обратный процесс, т. е. электрический сигнал, несущий звуковую информацию, преобразуется в звуковой. В нем по катушке пропускают ток, изменяющийся со звуковой частотой. Эта катушка находится в магнитном поле постоянного магнита (рис. 162-2, б), поэтому на нее в этом поле действует переменная сила Ампера, понуждающая катушку совершать колебания со звуковой частотой. С катушкой соединена мембрана (диффузор), которая тоже начинает совершать колебания со звуковой частотой и приводит в движение примыкающие к ней слои воздуха. В результате в воздухе начинает распространяться звуковая волна.
163. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Электроизмерительными приборами называют приборы, измеряющие различные характеристики электрического тока.
К электроизмерительным приборам относятся гальванометры, амперметры, вольтметры, омметры, ваттметры и др.
Все электроизмерительные приборы по принципу их действия делят на:
приборы магнитоэлектрической системы; . – приборы электромагнитной системы;
приборы электродинамической системы;
приборы тепловой системы;
приборы электронной системы.
Рассмотрим устройство и принцип действия некоторых из них.
Приборы магнитоэлектрической системы
Действие приборов магнитоэлектрической системы основано на взаимодействии проводника с током и магнитного поля постоянного магнита. На рис. 163-1 схематически показано устройство прибора этой системы. Между полюсами подковообразного магнита 5 помещается рамка 1, на которую намотан изолированный проводник. Коси рамки прикреплена стрелка 2, способная при повороте рамки перемещаться по шкале 3, и две спиральные пружинки 4, создающие момент упругих сил и одновременно подводящие ток к рамке.
а |
б |
Рис. 163-1
В отсутствие тока плоскость рамки располагается параллельно линиям магнитного поля магнита 5 и стрелка стоит на нуле. Когда прибор включен в цепь и по рамке проходит ток, на ее стороны, перпендикулярные магнитным линиям, действует пара сил Ампера, создающая вращающий момент, тем больший, чем больше сила тока в рамке. Эта пара сил поворачивает рамку, стремясь расположить ее плоскость перпендикулярно магнитным линиям, и при этом стрелка перемещается по шкале прибора. Повороту рамки противодействует упругий момент сил, создаваемый спиральными пружинками, тем больший, чем больше угол поворота рамки в магнитном поле. При выключении тока упругий момент сил возвращает стрелку в исходное (нулевое) положение.
Если сила тока превысит максимальную для данного прибора величину, которая указана на нем, то упругая деформация спиральных пружин превратится в пластическую и они уже не смогут возвращать стрелку обратно. Прибор будет безнадежно испорчен. Чтобы этого не случилось, превышать максимально допустимую силу тока (или максимальное напряжение на приборе) нельзя.
Чтобы стрелка под действием упругих сил не стала колебаться, применяют специальные устройства – успокаивающие колебания, – демпферы. Демпфер представляет собой пластинку из алюминия, прикрепленную к той же оси, на которую насажена стрелка. При возвращении стрелки к нулю в пластинке наводятся индукционные токи, в результате чего силы Ампера, действующие на пластинку с токами в магнитном поле постоянного магнита, тормозят ее, а вместе с ней и стрелку прибора. С помощью специального корректора можно установить стрелку на нулевое деление шкалы вручную.
Такие приборы могут измерять как силу тока в цепи, так и напряжение на ее участке, поскольку напряжение согласно закону Ома при неизменном сопротивлении участка прямо пропорционально силе тока в нем.
Приборы магнитоэлектрической системы предназначены для включения в цепь постоянного тока. Они имеют равномерную шкалу и обладают очень высокой чувствительностью, позволяя измерять токи до 10-14 А. Их обозначение на табло прибора показано на рис. 163-2. Горизонтальная черточка на шкале прибора говорит о том, что он предназначен для измерения только постоянного тока, а также о том, что в процессе измерения он должен находиться в горизонтальном положении. Если на приборе имеется такое обозначение: , значит, он должен располагаться в рабочем состоянии вертикально.
Приборы электромагнитной системы
Действие приборов электромагнитной системы основано на взаимодействии магнитного поля катушки с током 1 и железного сердечника 2 (рис. 163-2).
При включении прибора в цепь по виткам катушки 1 проходит ток и внутри нее возникает магнитное поле. При этом сердечник 2 втягивается в катушку тем сильнее, чем больше сила тока в ней. Сердечник крепится к оси 3, с которой соединена спиральная пружина 4, создающая упругий момент сил, противодействующий втягиванию сердечника в катушку. К этой же оси крепится стрелка 5, которая перемещается по шкале 6. Чем больше сила тока в катушке, тем на больший угол отклоняется стрелка от своего нулевого положения. С сердечником связан также демпфер 7. При выключении тока спиральная пружина возвращает сердечник в исходное положение и стрелка возвращается к нулю.
а |
б |
Рис. 163-2
Если сила тока в катушке или приложенное к ней напряжение превысят максимально допустимую величину, указанную на приборе, то упругий момент спиральной пружинки превратится в пластический и пружинка уже не сможет выполнять свои функции. Прибор будет непоправимо испорчен. Поэтому превышать максимально допустимые величины тока или напряжения нельзя.
Приборы электромагнитной системы предназначены для измерения как постоянных, так и переменных токов, поэтому они могут иметь как равномерную, так и неравномерную шкалы. Поскольку катушка при измерениях остается неподвижной, их можно использовать при измерении токов большой силы. Обозначение приборов электромагнитной системы на их табло показано на рис. 163-2, б внизу.
К приборам электромагнитной системы относятся также астатические приборы, в которых две катушки соединены последовательно так, что их магнитные поля анти-направлены друг другу, что позволяет исключить влияние посторонних магнитных полей на железный сердечник.
Приборы электродинамической системы
Действие приборов электродинамической системы, основано на взаимодействии двух катушек с током, одна из которых неподвижна, а другая может поворачиваться вокруг своей оси (рис. 163-3).
Неподвижная катушка 1 разделена на две одинаковых половинки, между которыми проходит ось прибора. На оси крепятся две спиральные пружины 2, создающие упругий момент сил, противодействующий повороту подвижной катушки 5 в магнитном поле неподвижной, стрелка 3, перемещающаяся по шкале 4 тем дальше, чем больше сила тока в катушках, и успокоитель колебаний стрелки 6.
При пропускании тока подвижная катушка будет поворачиваться в магнитном поле неподвижной катушки на тем больший угол, чем больше сила тока в них, стремясь расположиться своей плоскостью перпендикулярно магнитным линиям поля неподвижной катушки. Этому будет противодействовать упругий момент сил, создаваемый спиральными пружинками. Если превысить максимальное значение тока или напряжения, указанное на приборе, то он также будет испорчен из-за потери упругих свойств спиральных пружинок.
Приборы электродинамической системы, как и электромагнитной, позволяют измерять как постоянные, так и переменные токи, так как при изменении тока в цепи ток в обеих катушках одновременно изменяет свое направление на противоположное, поэтому направление вращающего момента сил, действующих на подвижную катушку, не изменяется. При измерениях постоянного тока их шкала равномерна, а переменного – неравномерна.
Следует знать, что при измерениях переменного тока все электроизмерительные приборы показывают его действующее (эффективное) значение (но не мгновенное или максимальное).
Рассмотрим принцип действия наиболее распространенных электроизмерительных приборов: гальванометра, амперметра, вольтметра, омметра и ваттметра.
Гальванометр
Гальванометр – это прибор высокой чувствительности, позволяющий обнаруживать и измерять очень малые заряды и напряжения.
Гальваномеры часто используются для регистрации наличия или отсутствия тока или для регистрации нулевой разности потенциалов между точками цепи.
Наиболее распространены гальванометры магнитоэлектрической системы. Бывают стрелочные, зеркальные и струнные гальванометры. Стрелочные гальванометры применяют для измерения токов силой до десятых долей микроампера, зеркальные – порядка 10-11 – 10-12 ампера, струнные – до 10-14 ампера. В зеркальных гальванометрах отсчет делений шкалы при измерениях производится с помощью светового луча, направленного на маленькое зеркальце, связанное с рамкой. Шкала отнесена достаточно далеко от прибора, благодаря чему даже малый поворот рамки при малых токах в ней дает заметное
отклонение светового зайчика по шкале. К зеркальным гальванометрам относятся также баллистические гальванометры с массивной рамкой, имеющей большую инертность, что позволяет регистрировать даже кратковременные импульсы токов.
В струнных гальванометрах магнитное поле постоянного магнита действует на струну – тонкую проволочку с током, которая при этом приходит в движение. Это движение регистрируется с помощью микроскопа и фотографируется.
Гальванометр с шунтом представляет собой амперметр, а этот же прибор с последовательно подключенным к нему добавочным сопротивлением является вольтметр.
Омметр
Омметр – это прибор, предназначенный для измерения сопротивления проводника. Наиболее распространены омметры магнитоэлектрической системы, основанные на «вольтметровом» методе, при котором соединяются последовательно измеряемое сопротивление, вольтметр и источник тока. При этом чем больше величина измеряемого сопротивления, тем меньше показания вольтметра. Шкала прибора при таком соединении градуируется сразу в омах.
Для измерения очень больших сопротивлений используются электронные омметры, состоящие из потенциометра, плечи которого представляют собой известное R0 и
измеряемое RX сопротивления, и электронного вольтметра V , подключенного параллельно измеряемому
сопротивлению (рис. 163-4).
В цепях переменного тока омметр измеряет активное сопротивление проводника.
Ваттметр
Ваттметр – это прибор, предназначенный для измерения мощности электрического тока.
Наиболее распространены ваттметры электродинамической системы, позволяющие измерять мощность как постоянного, так и переменного тока.
Рассмотрим принцип действия ваттметра. Он состоит из двух катушек, неподвижной и подвижной. Неподвижная катушка, изготовленная из толстого проводника с малым сопротивлением (на рис. 163-5 она изображена жирным отрезком 1), включается в цепь последовательно измеряемому участку сопротивлением В. Подвижная катушка 2 соединена последовательно с добавочным сопротивлением, благодаря чему ее сопротивление во много раз больше сопротивления неподвижной катушки. На рис. 163-5 она изображена тонким отрезком 2 и включается параллельно измеряемому сопротивлению R . С подвижной катушкой соединена стрелка прибора, которая при повороте
подвижной катушки в магнитном поле неподвижной перемещается по шкале, проградуированной в ваттах. Угол поворота подвижной катушки пропорционален как силе тока I в неподвижной катушке, так и напряжению U на измеряемом участке R , т. е. пропорционален мощности тока Р в нем (поскольку
P UI ).
На корпусе ваттметра имеются четыре клеммы, к которым подведены концы подвижной и неподвижной катушек. Клеммы, которые следует подключить последовательно измеряемому участку, обозначены буквой А, а те, которые надо подключить параллельно, – буквой V.
Важной характеристикой точности измерения электрической величины с помощью любого электроизмерительного прибора является его класс точности. Все электроизмерительные приборы делят на восемь классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 и 4,0. Эти числа представляют собой отношение максимально возможной погрешности прибора Amax к максимальному значению величины
Amax которую может измерить данный прибор. Величина