§ 33-1. Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы
Постоянный электрический ток характеризуют силой тока I, напряжением U, мощностью Р и энергией W, а электрическую цепь — электрическими величинами: сопротивлением резистора, электроёмкостью С конденсатора, индуктивностью L. Для измерения электрических величин используют следующие электроизмерительные приборы: амперметры, вольтметры, ваттметры, счётчики электрической энергии, омметры, а также фарадометры и приборы для измерения индуктивности. Как устроены электроизмерительные приборы и каков принцип их действия?
Электроизмерительный прибор — это техническое устройство, предназначенное для сравнения электрической величины с однородной величиной, принятой за единицу. Электроизмерительные приборы подразделяют на приборы непосредственной оценки и приборы сравнения. Для измерения электрических величин в приборах непосредственной оценки часто используют физические процессы, создающие вращающий момент и перемещение подвижной части прибора. Вращающий момент может быть создан взаимодействием магнитного поля постоянного магнита и тока в контуре (рамке), магнитного поля катушки с током и ферромагнетика*, взаимодействием магнитных полей катушек с током, взаимодействием заряженных тел. В зависимости от природы физического взаимодействия, происходящего в приборах, их принято подразделять на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные, электростатические, термодинамические и ряд других систем.
Измерительный прибор магнитоэлектрической системы устроен следующим образом (рис. 188.1). На лёгкой алюминиевой рамке прямоугольной формы намотана катушка 1, состоящая из нескольких десятков витков изолированного провода. Катушка может перемещаться в узком зазоре между полюсными наконечниками N и S постоянного магнита 5 и цилиндром 2, изготовленным из магнитомягкого железа. Рамка с катушкой жёстко крепятся на двух полуосях, к одной из которых прикреплена указательная стрелка 6. Электрически изолированно одна от другой установлены две спиральные пружины 3, обеспечивающие подвод измеряемого тока к катушке и создающие противодействующий момент. Если бы в подвижной части измерительного механизма не было пружин 3, то при пропускании тока через рамку происходил бы её поворот, заканчивающийся выходом из узкого зазора между полюсными наконечниками N и S постоянного магнита 5 при любом значении силы тока. Заострённые концы полуосей (керны) опираются на подпятники из агата, рубина или другого твёрдого камня. Уравновесить подвижную часть прибора в поле тяжести при любом положении указательной стрелки помогают противовесы 4.
В исходном состоянии пружины 3 удерживают рамку в определённом положении равновесия, при котором стрелка 6 прибора указывает на нулевое деление шкалы 7. При прохождении тока через катушку рамка поворачивается. При этом пружины деформируются и в них возникают силы упругости, вращающий момент Мвр которых пропорционален углу поворота рамки. Вращающий момент Мвр создают и магнитные силы, действующие на те прямолинейные участки катушки с проходящим по ней током, которые параллельны полуосям прибора (рис. 188.2, а).
В однородном магнитном поле величина вращающего момента Мвр зависит не только от силы тока I в катушке и модуля индукции В магнитного поля, но и от угла θ между индукцией и нормалью
(рис. 188.2, б), проведённой к плоскости катушки: Мвр = NISBsinθ, где N — число витков в катушке, S — площадь поверхности, ограниченной одним витком.
Используя постоянные магниты с полюсными наконечниками специальной формы и цилиндры из магнитомягкого железа (рис. 188.3), можно добиться радиального направления линий индукции магнитного поля в той области, где могут перемещаться витки катушки. В результате при неизменной силе измеряемого тока остаются постоянными модуль индукции магнитного поля, модуль магнитных сил (сил Ампера), действующих на «активные» участки катушки и их плечо для любого положения катушки в секторе, предназначенном для проведения измерений. Угол поворота рамки, при котором момент сил упругости, возвращающий её в исходное положение, уравновешивает момент сил Ампера, вызывающих поворот рамки, оказывается пропорциональным силе тока в катушке, а шкала прибора — равномерной.
Успокоителем измерительного механизма магнитоэлектрических приборов является алюминиевый каркас рамки. При колебаниях катушки в магнитном поле в алюминиевом каркасе возбуждаются индукционные токи, взаимодействие которых с магнитным полем постоянного магнита создаёт тормозящий момент, успокаивающий колебания катушки и указательной стрелки.
В электроизмерительных приборах других систем подвижная часть обычно устроена примерно так же, как и в приборах магнитоэлектрической системы.
1. Как устроен электроизмерительный прибор магнитоэлектрической системы?
2. Как вела бы себя рамка с током, если бы не было пружин 3?
3. Для чего в электроизмерительных приборах нужны успокоители?
4. Какие моменты сил уравновешиваются после отклонения стрелки измерительного прибора на определённый угол?
5. Почему приборы магнитоэлектрической системы пригодны для измерения только в цепях постоянного тока?
* Ферромагнетики — это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая существенно изменяется под влиянием внешних воздействий — магнитного поля, деформации, температуры. ↑