Статья не была запланирована. Более того, сама постановка вопроса читателем была для меня неожиданной. Но нельзя не признать, что вопрос отнюдь не поверхностный. Вот дословная цитата вопроса читателя в комментариях к статье
- "«Вольтметр» и «амперметр» – это гальванометры, включаемые параллельно нагрузке или последовательно. Остается загадкой – как один и тот же прибор гальванометр измеряет две разные электрические величины («напряжение» и «силу тока»)?"
Мой краткий ответ читателя не удовлетворил и дискуссия продолжилась. Вот еще одна дословная цитата, из другого его комментария:
- "Однако остается непонятным - как один прибор гальванометр измеряет две разные электрические величины. Если отвлечься от резисторов (шунтов и проч.) - то конструкция прибора, как ни крути, одна и та же. Можно взять гальванометр - без последовательных и параллельных резисторов (если конструкция соответствует мощности потока электроэнергии) - и измерять - и вся разница будет способе подключения. Не может ли быть так, что "амперметр" и "вольтметр" измеряют одну и туже величину - мощность потока электроэнергии, проходящей через них. А разница в показаниях - по-разному градуированные шкалы. Роберт Поль:«…Измерители напряжения, через которые идет ток, по сути, представляют собой не что иное, как переградуированные измерители тока» [Поль, 1962: 31]."
Конечно, в комментариях я ответил. Но объем комментария ограничен, да и иллюстраций там нет. Поэтому давайте рассмотрим вопрос подробнее. Он достаточно интересен, хоть и относится к физике, а не метрологии.
Как устроен и работает гальванометр
Да, это многократно описано и рассмотрено с самых разных сторон. Но нам все таки необходимо вспомнить еще раз. Начнем с небольшого исторического экскурса.
После изобретения (создания) гальванического элемента, столба Вольта,
физики получили удобный способ получения электричества и его изучение значительно ускорилось. В первой половине XIX века Ампер проводил опыты по взаимодействию проводников с током. Вы все видели демонстрацию этих опытов на школьных уроках физики
Одновременно с Ампером проводил опыты и Эрстед, но он изучал влияние протекающего по проводнику тока на стрелку компаса
В результате физики выяснили, что протекающий по проводнику ток создает вокруг проводника магнитное поле. В опытах Ампера взаимодействовали магнитные поля двух токов. В опытах Эрстеда магнитное поле тока взаимодействовало с магнитным полем стрелки компаса (магнита). При этом оба опыта можно свести к взаимодействию проводника с током и магнитного поля. Ведь мы всегда можем заменить второй проводник в опытах Ампера на создаваемое им магнитное поле.
Закон Ампера позволяет определить силу, которая действует на проводник с током в магнитном поле
Различие в опытах Ампера и Эрстеда заключается не только в том, что используются два проводника или проводник и стрелка компаса. У Ампера был подвижным проводник, если заменить второй на создаваемое им эквивалентное магнитное поле. У Эрстеда проводник был неподвижен, поэтому в движение приходил источник магнитного поля - стрелка компаса. Но физическая суть от этого не меняется. Просто в опытах Ампера угол α оставался неизменным, а в опытах Эрстеда он изменялся. Стрелка поворачивалась, что бы угол стал равным нулю. При этом действующая на стрелку сила тоже оказывалась равной нулю.
Таким образом, и Ампер, и Эрстед, продемонстрировали возможность преобразования "невидимой" силы тока в вполне наблюдаемое механическое перемещение проводника или поворот стрелки компаса. То есть, мы получили возможность измерить силу тока через преобразование электрического параметра в механический - перемещение. Мы можем построить прибор измеряющий силу тока. Этот прибор назвали гальванометром (гальваноскопом). У гальванометра есть шкала, которая позволяет получать количественную оценку результата измерения. Это еще не амперметр, так как шкала абстрактна.
Первые гальванометры строились на базе опытов Эрстеда. Просто угол поворота стрелки компаса может достигать 180 градусов, что гораздо нагляднее относительно малого перемещения проводника в опытах Ампера. Да и шкалу нанести проще
Однако, такой гальванометр обладал невысокой чувствительностью. При использовании вместо проводника контура с током чувствительность была лучше
Еще лучше чувствительность у прибора с несколькими контурами с током - катушкой с током. Причем эта катушка могла размещаться по разному
Такие гальванометры были достаточно просты конструктивно, но существенным неудобством была чувствительность стрелки компаса к магнитному полю Земли. Да и к любым источникам магнитного поля расположенным поблизости. При этом внешнее магнитное поле участвует в работе этого гальванометра. Ведь именно оно возвращает стрелку компаса в начальное положение. Да и размеры гальванометра получаются большими.
Более удобным оказалась конструкция предложенная Д'Арсонвалем, который использовал вариацию опытов Ампера, где подвижным был проводник с током. Только вместо одиночного проводника была использована рамка с током
Да, вы не ошиблись, именно такие приборы мы сегодня называем приборами магнитоэлектрической системы. Только контур с током заменили на несколько контуров, катушку, с током. Вот этот узел крупным планом
Рамка с током помещается между полюсами магнита, а ее возврат в начальное положение обеспечивается или упругостью подвеса (на скручивание), или спиральной пружиной.
Гальванометр такой конструкции можно изготовить гораздо меньшего размера, при этом шкала останется большой. Кроме того, он менее чувствителен к внешним магнитным полям, да и его экранирование от этих полей проще.
Вне зависимости от конструкции, любой гальванометр выполняет одну и ту же функцию:
Гальванометр, любой конструкции, преобразует силу протекающего через него тока в механическое перемещение указателя по шкале прибора.
В рассмотренных нами гальванометрах механическим перемещением является поворот стрелки. А струнных гальванометрах механическим перемещается натянутая между полюсами магнита струна (проводник с током), что обычно фиксируется оптическим способом.
Где сегодня можно найти гальванометр, если не считать школьный кабинет физики? Любая стрелочная измерительная головка являющаяся микро или миллиамперметром является гальванометром, по сути. Для таких стрелочных головок указывают ток полного отклонения и внутреннее сопротивление. При этом в таких головках отсутствуют дополнительные резисторы (и последовательные, и параллельные).
Вспоминая закон Ома
Независимо от того, какая конструкция гальванометра используется, неизменным остается протекание через него тока. А мы знаем, что любой проводник обладает электрическим сопротивлением. Это сопротивление может быть малым, но оно всегда больше нуля. А это означает, что протекающий через гальванометр ток создает на его зажимах падение напряжения. Это напряжение связано с протекающим током через внутреннее сопротивление гальванометра (проводник, катушка, подвижная рамка, совершенно не важно)
Таким образом, мы можем говорить, что гальванометр преобразует в угол отклонения стрелки не только ток, но и напряжение! Обратите внимание, что это вопрос нашей интерпретации, а не изменение физических принципов работы гальванометра! Понимать это чрезвычайно важно! Более того, эта интерпретация возможна лишь по той причине, что наш гальванометр является реальным прибором, а не идеальным! В идеальном гальванометре внутреннее сопротивление будет равно 0, так идеальный проводник имеет равное 0 сопротивление. А закон Ампера не требует наличия у проводника сопротивления, нам важен только ток.
От гальванометра к амперметру
Шкала гальванометра абстрактна. Деления скорее соответствуют углу отклонения стрелки, чем силе протекающего через гальванометр тока. Что бы мы могли называть гальванометр амперметром нужно две вещи:
- Эталон силы тока. Именно эталон устанавливает, как определяется единица силы тока. Без эталона мы не можем проводить измерения, можем только проводить оценку. Измерение это сравнение с эталоном.
- Градуировка шкалы в соответствии с эталоном. При этом мы задаем цену деления шкалы, в большинстве случаев, с использованием кратных значений эталона.
В результате, мы получаем отградуированный именно в единицах силы тока гальванометр. Можем ли мы теперь с полным правом называет его амперметром? Не все так просто. Дело в том, что при измерении тока мы включаем амперметр в разрыв цепи, поэтому падение напряжения на амперметре может повлиять на ток в этой цепи. Идеальный амперметр, как мы помним, имеет равное нулю сопротивление. То есть, идеальный гальванометр имеющий шкалу позволяющую считывать результат измерения в амперах будет являться идеальным амперметром. Влияние же реального гальванометра, вне зависимости от шкалы, может потребоваться учитывать. Если падением напряжения на внутреннем сопротивлении гальванометра пренебречь нельзя, то возникают нюансы. Слишком высокоомные гальванометр мы вряд ли можем считать хорошим амперметром. Но остается неизменным тот факт, что гальванометр, по самому принципу своей работы, является именно измерителем силы тока.
Давайте еще кратко коснемся вопроса построения амперметра, который должен измерять ток выходящий за пределы гальванометра, на базе которого он построен. Это не обязательно многопредельный амперметр. Для реального гальванометра мы можем использовать подключенный параллельно ему внешний резистор - шунт. Этот шунт создаст дополнительный путь для измеряемого тока, что позволить решить нашу задачу. Но давайте подумаем, ведь протекающий через шунт ток создает на нем падение напряжения! Получается, что мы можем считать, что наш гальванометр измеряет падение напряжения на шунте. Более того, если сопротивление гальванометра много больше сопротивления шунта, то ток через гальванометр будет много меньше тока через шунт. А значит, наш гальванометр, продолжая измерять ток, может считаться вольтметром.
Но насколько часто для измерения тока требуется шунтировать гальванометр? Почти всегда. Дело в том, что гальванометр стремятся сделать более чувствительным. Довольно типичным является ток полного отклонения стрелки гальванометра от десятков микроампер до десятков миллиампер. Для измерения большего тока мы должны использовать шунт.
Но это еще не все. Дело в том, что мы не сможем изменить с помощью шунта предел измерения идеального гальванометра. Ток через шунт просто не будет протекать, так как сопротивление идеального гальванометра равно 0. Мы сначала должны сделать гальванометр неидеальным включив последовательно с ним резистор.
От гальванометра к вольтметру
Реальный гальванометр, как мы уже выяснили, может измерять и напряжение. Безусловно, он абсолютно не будет являться идеальным вольтметром, который имеет бесконечно большое сопротивление. Но можно считать, что он выполняет преобразование напряжения в угол отклонения стрелки. Не напрямую, а через преобразование напряжения в ток через свое внутреннее сопротивление. В отличии от гальванометра идеального.
Поскольку гальванометры, как мы уже знаем, стараются сделать более чувствительными к току, напряжение, при котором стрелка полностью отклоняется, тоже будет небольшим. Типичное напряжение полного отклонения стрелки от десятков милливольт до вольта. Для измерения больших напряжений нам нужно использовать устанавливаемый последовательно с гальванометром балластный резистор. Это позволит сохранить ток через гальванометр в допустимых пределах.
Но давайте вспомним, что идеальный вольтметр должен иметь бесконечно большое сопротивление, что бы не оказывать влияния на измеряемую цепь. То есть, ток через вольтметр протекать не должен. Но реальный вольтметр имеет конечное сопротивление, поэтому его влияние на измеряемую цепь приходится учитывать. Чем меньше ток полного отклонения стрелки гальванометра, тем меньше ток через вольтметр. И это еще одна причина изготовления чувствительных гальванометров.
Насколько часто приходится использовать балластные резисторы при использовании гальванометров для измерения напряжения? Практически всегда, как и шунты для измерения тока. Но стоит отметить, что идеальность гальванометра не мешает строить вольтметры, в отличии от амперметров. Подумайте самостоятельно, почему так?
Заключение
Поскольку гальванометры являются реальными, а не идеальными, протекание через них тока сопровождается падением напряжения на их внутреннем сопротивлении. Поскольку ток и напряжение связаны через сопротивление, мы можем считать, что гальванометр измеряет не только ток, но и напряжение. Важно отметить, что реальный гальванометр не будет являться ни идеальным амперметром, ни идеальным вольтметром.
Такой "дуализм" возможен только для реального гальванометра и невозможен для идеального. При этом принцип работы гальванометра, физический, остается неизменным - взаимодействие тока (проводника с током) и магнитного поля. Причина дуализма кроется именно в неидеальности.
Для построения амперметра и вольтметра с использование гальванометра в большинстве случаев требует использования дополнительных внешних резисторов. Для амперметра требуется как можно меньшее внутреннее сопротивление, поэтому параллельно гальванометру включают шунт. Он же позволяет увеличить предел измерения тока. Для вольтметра нужно как более можно большее внутреннее сопротивление, поэтому балластный резистор включают последовательно с гальванометром. Он же позволяет увеличить предел измерения напряжения. И в любом случае, чем более чувствительный гальванометр, тем лучше.
Если же совсем кратко, то ответ на вопрос из заголовка статьи прост - закон Ома.
