Вольтметр это в физике

Содержание

Для характеристики электрического тока в цепи у нас есть уже две физические величины: сила тока ($I$) и напряжение ($U$).

Для измерения силы тока мы используем амперметр. Значит, существует прибор и для измерения электрического напряжения.

Как называют прибор для измерения напряжения? Он называется вольтметром.
На данном уроке мы рассмотрим его применение, правила подключения в электрическую цепь и другие его характеристики.

Вольтметр

Вольтметр — это прибор для измерения напряжения на полюсах источника тока или на каком-либо другом участке цепи.

Вольтметры по внешнему виду очень похожи на амперметры. Как их различать тогда? Если на шкале амперметра стоит буква $A$, то на шкале вольтметра будет обязательно стоять буква $V$.

Вольтметры бывают разных видов. Это зависит от их назначения. Вы чаще всего будете встречать или демонстрационный вольтметр (рисунок 1, а) или лабораторный (рисунок 1, б).

Как можно догадаться из названий приборов, демонстрационный вольтметр используется для демонстрации опытов, а лабораторный вы будете использовать при выполнении лабораторных работ.

На шкале каждого вольтметра есть высшее (максимальное) значение напряжения, которое он способен измерить. Превышение этого предела может привести к выходу прибора из строя.

Как подключать вольтметр и производить измерения?

Вольтметры всегда должны быть подключены параллельно с электрическим устройством или элементом, на котором измеряется электрическое напряжение (рисунок 2).

Ключевая мысль состоит в том, что зажимы вольтметра присоединяют к тем точкам электрической цепи, между которыми надо измерить электрическое напряжение.

Однако следует помнить, что при таком соединении часть тока IV будет протекать через вольтметр, а не через проверяемый элемент R. Таким образом, мы имеем дело с ситуацией, когда действие измерения физической величины изменяет значение этой величины. Это не единственный подобный пример в физике.

Как видно из предыдущих рассуждений, для измерения истинного значения электрического напряжения на концах элемент цепи, нам понадобится вольтметр с бесконечным сопротивлением. Тогда через измерительный прибор не будет протекать электрический ток, поэтому измерения будут неискаженными. На практике бесконечное электрическое сопротивление в вольтметре реализовать невозможно. Тем не менее, в настоящее время продаются вольтметры с чрезвычайно высоким внутренним сопротивлением, превышающим 100 ТОМ.

Что покажет вольтметр?

Стоит отметить, что считанное значение напряжения всегда меньше истинного значения. Это пример систематической ошибки измерения.

Истинное значение напряжения на концах элемента R на рис. 2, согласно закона Ома для участка электрической цепи, составляет: U = I*R

Но, так как вольтметр имеет внутреннее сопротивление, то он показывает значение: UV = IV * RV = IR * R .

После простых преобразований получаем, что реальное значение электрического напряжения на концах проверяемого элемента цепи R имеет значение: U = UV * (1 + R/RV )

Эта формула подтверждает наше предыдущее утверждение о том, что идеальный вольтметр должен иметь бесконечное внутреннее сопротивление. Поскольку коэффициент сопротивления в этой формуле стремится к бесконечности, измеренное значение UV стремится к истинному значению U. Поскольку в реальности не существует прибора, удовлетворяющего этому идеальному условию, при проведении измерений необходимо выбирать вольтметр таким образом, чтобы величина вносимой им ошибки находилась в пределах предполагаемой погрешности измерений.

Вывод: Чем выше внутреннее сопротивление вольтметра, тем меньше погрешность измерения; поэтому вольтметры всегда имеют очень высокое электрическое сопротивление.

Как и у амперметра, у одного зажима вольтметра ставят знак «+«. Этот зажим необходимо обязательно соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока. Иначе стрелка прибора будет отклоняться в обратную сторону. А отрицательный зажим, соответственно, соединяют с проводом, идущим от отрицательного полюса источника тока.

Расширение диапазона измерений.

У аналоговых вольтметров диапазон измерения в принципе ограничен концом шкалы; если на измерительный прибор подается более высокое напряжение, то, с одной стороны, стрелка прибора не может отклониться дальше, а с другой стороны, даже сам прибор может быть поврежден (выйти из строя). Чтобы расширить диапазон измерений в большую сторону, необходимо использовать подходящую электрическую схему, обеспечивающую подачу на вольтметр только части измеряемого напряжения.

Этого можно достичь, объединив вольтметр с последовательно подключенным резистором (эти резисторы ещё называют — «добавочными резисторами»). Например, если вольтметр с диапазоном измерения 50 мВ имеет внутреннее сопротивление 100 Ом, то последовательный резистор со значением 900 Ом вызывает падение напряжения на вольтметре только на 1/10. Таким образом, диапазон измерений увеличивается в 10 раз, поэтому вольтметры теперь могут измерять напряжение до 500 мВ.

Верхние пределы расширения диапазона измерения практически отсутствуют. Если последовательный резистор в вышеприведенном примере имеет значение 99 900 Ом, то общее сопротивление равно 100 000 Ом, и на вольтметре падает только 1/1000 от приложенного напряжения. Соответственно, можно измерить в 1000 раз большее напряжение, т.е. максимум 50 В.

Более наглядно посмотреть, как подключаются добавочные резисторы в электрическую цепь вы можете видеть на рисунке 3 ниже.

Если мы хотим использовать вольтметр с диапазоном до UV для измерения напряжения до U1 , мы можем написать: U1 = I*RP + UV ,

В тоже время: UV = I*RV , тогда

после преобразований получаем, что сопротивление добавочного сопротивления должно иметь значение:

Мы также можем уменьшить диапазон измерения вольтметра. Для этого мы используем делители напряжения как на рис. 4.

При использовании цифровых измерительных приборов, измерение выполняется электронным способом и отображается на дисплее в цифровом виде. Однако проблема погрешности измерений и принцип расширения диапазона измерений идентичны для аналоговых и цифровых измерительных приборов.

Как работает вольтметр?

Существует два типа вольтметров: аналоговые, показывающие значение путем наклона стрелки механического прибора, и все чаще используемые в настоящее время цифровые, оснащенные сложными электронными схемами.

Аналоговые вольтметры обычно представляют собой амперметры с последовательно соединенным резистором RV с очень большим значением электрического сопротивления. То есть, по сути, они измеряют ток IV, протекающий через него, а шкала показывает значение, которое является результатом расчета: UV = IV * RV .

Цифровые приборы, как правило, имеют обратную конструкцию (то есть они являются именно вольтметрами, а не амперметрами). Это связано с тем, что изготовить цифровой измеритель напряжения относительно просто. Если мы подключим его параллельно резистору с малым сопротивлением, то получим амперметр. Значение индикатора может быть рассчитано по уравнению: UV = IV * RV .

Существует, однако, тип аналогового вольтметра, принцип действия которого не основан на принципе работы амперметра. Это электростатический вольтметр. На практике это конденсатор с одной неподвижной обкладкой и другой подвижной. Электрическое взаимодействие обкладок вызывает перемещение указателя, прикрепленного к движущейся части. С помощью такого вольтметра можно можно измерять даже очень высокие электрические напряжения, а значение его внутреннего сопротивление почти бесконечно.

Конструкция и классификация вольтметров

По способу монтажа вольтметры подразделяются на стационарные, щитовые и переносные. Схема — классификация вольтметров

Стационарные вольтметры находят применение на производственных объектах в местах, где необходим постоянный контроль. Высокая чувствительность сочетается с повышенными габаритами.
Щитовые вольтметры размещают чаще всего в распределительных щитках.
Переносные устройства являются автономными и удобными для транспортировки. Отличаются небольшими размерами.

По роду измеряемого напряжения имеются вольтметры постоянного и переменного тока.

По диапазону разделение происходит на вольтметры, способные измерять вольты, милливольты, киловольты. Для работы с микросхемами применяются микровольтметры.

По принципу измерения существуют вольтметры:

Диодно-компенсационные. Осуществляется сравнение измеренного сигнала с эталонным. Основной элемент конструкции – вакуумный диод. Применяются для измерения переменных сигналов в широком диапазоне частот.
Импульсные. Происходит измерение значения амплитуды сигналов импульсов. Конструкция содержит преобразователь уровня импульса, усилитель, отсчетное устройство.
Фазочувствительные. Возможно измерение составляющих комплексных напряжение и, соответственно, исследование амплитудно-фазовых характеристик усилителей. Имеются два регистратора для действительной и мнимой составляющих.
Селективные. Выделяют гармоники сигнала и измеряют среднеквадратичное значение величины амплитуды.
Универсальные. Являются многофункциональными приборами, измеряющими любой тип сигнала.

К особому типу относятся демонстрационные вольтметры.

Фото — демонстрационные вольтметры

По типу отсчетного устройства вольтметры разделяются на аналоговые и цифровые:

Аналоговые вольтметры кроме магнитоэлектрического измерителя и дополнительных регистров содержат усилитель, позволяющий многократно увеличить внутреннее сопротивление, в результате чего точность измерения значительно улучшается.
В цифровом вольтметре осуществляется преобразование постоянного значения напряжения в цифровой сигнал, выводящийся на табло. В цифровых моделях точность измерения более высокая.

Аналоговые вольтметры разделяются: с подвижной катушкой, с подвижным железом, и электростатические.

В вольтметрах с подвижной катушкой может иметься или отсутствовать постоянный магнит. Вольтметры с подвижной катушкой и магнитом измеряют только постоянный ток.

Схема — вольтметр с подвижной катушкой

Вольтметры с подвижным железом используют в цепях переменного тока.

Схема — вольтметр с подвижным железом

Электростатические вольтметры работают по принципу отталкивания между зарядовыми пластинами, приводящему к отклонению стрелки.

Схема — электростатический вольтметр

Чтобы увидеть результат все электромеханические вольтметры оснащаются градуированной шкалой со стрелкой. Чем больше напряжение, тем стрелка отклоняется на больший угол.

Фото — стрелочный электромеханический вольтметр

У цифровых вольтметров в роли шкалы выступает табло.

Фото — цифровой вольтметр

На табло отражаются конкретные цифровые показатели.

Диапазон измерения аналоговыми вольтметрами ограничен шкалой. Если подать более высокое напряжение, то прибор может выйти из строя.

Схема — повышение пределов измерения

Для расширения диапазона измерения используются специальные электрические схемы, в результате чего на вольтметр подается только часть напряжения.

Применение вольтметра

Приборы для измерения напряжения находят применение во многих областях и направлениях деятельности:

военно-промышленных комплексах;
на производственных предприятиях;
в радиоэлектронной промышленности;
научно-технических центрах;
лабораториях для испытаний и исследований;
мастерских по ремонту;
учебных заведениях.

Вольтметры применяются в хозяйственно-бытовых целях. Примером использования являются электромонтажные работы.

Устройство

Рассмотрим устройство электростатического и электромагнитного вольтметра и способ их подключения к схеме.

На рисунке 5 показана конструкция электростатического вольтметра (слева) и электромагнитного вольтметра (справа) и как они соединены в электрическую цепь. Подвижные части вольтметров отмечены красным цветом.

Различные элементы вольтметров показаны цифрами.

На рисунке 5 обозначено:

Неподвижная часть крышки воздушного конденсатора.
Подвижная часть обкладки воздушного конденсатора (чем сильнее притянута к неподвижной части, тем выше напряжение между обкладками).
Указатель, который позволяет считывать результат по шкале.
Указатель, который позволяет считывать результат по шкале.
Катушка, через которую протекает ток, создающий магнитное поле.
Ферромагнит, втянутый в катушку тем сильнее, чем сильнее протекающий через него ток (т.е. чем больше создаваемое им магнитное поле).
Пружина, уравновешивающая втягивающее усилие.
Направление магнитного поля, создаваемого катушкой.
Добавочный резистор — для изменения диапазона измерения вольтметра.
Проверка элемента электрической цепи.
Проверка элемента электрической цепи.
Электрическое напряжение на концах элемента R1.
Электрическое напряжение на концах элемента R2.

Порядок измерения

Чтобы провести измерения, вольтметр подключается с помощью измерительных щупов параллельно двум точкам, между которыми нужно измерить разность потенциалов. Принцип определения амплитуды будет одинаков для любого типа устройства. Порядок измерения напряжения можно представить в виде следующих действий:

Включить устройство.
Подключить штекера измерительных проводов в соответствующие гнёзда на панели прибора.
Установить нужный диапазон измерения.
Прижать измерительные щупы к исследуемому объекту.
Прочитать показания с экрана прибора.

Таким образом, при помощи вольтметра можно достаточно быстро измерить величину амплитуды между двумя точками электрической линии с любым типом сигнала. Прибор имеет высокое собственное сопротивление, поэтому пользоваться им довольно безопасно.

Помогла статья? Оцените

Конструкция и классификация вольтметров

Стационарные вольтметры находят применение на производственных объектах в местах, где необходим постоянный контроль. Высокая чувствительность сочетается с повышенными габаритами.
Щитовые вольтметры размещают чаще всего в распределительных щитках.
Переносные устройства являются автономными и удобными для транспортировки. Отличаются небольшими размерами.

По роду измеряемого напряжения имеются вольтметры постоянного и переменного тока.

По принципу измерения существуют вольтметры:

Диодно-компенсационные. Осуществляется сравнение измеренного сигнала с эталонным. Основной элемент конструкции – вакуумный диод. Применяются для измерения переменных сигналов в широком диапазоне частот.
Импульсные. Происходит измерение значения амплитуды сигналов импульсов. Конструкция содержит преобразователь уровня импульса, усилитель, отсчетное устройство.
Фазочувствительные. Возможно измерение составляющих комплексных напряжение и, соответственно, исследование амплитудно-фазовых характеристик усилителей. Имеются два регистратора для действительной и мнимой составляющих.
Селективные. Выделяют гармоники сигнала и измеряют среднеквадратичное значение величины амплитуды.
Универсальные. Являются многофункциональными приборами, измеряющими любой тип сигнала.

К особому типу относятся демонстрационные вольтметры.

Фото — демонстрационные вольтметры

По типу отсчетного устройства вольтметры разделяются на аналоговые и цифровые:

Аналоговые вольтметры кроме магнитоэлектрического измерителя и дополнительных регистров содержат усилитель, позволяющий многократно увеличить внутреннее сопротивление, в результате чего точность измерения значительно улучшается.
В цифровом вольтметре осуществляется преобразование постоянного значения напряжения в цифровой сигнал, выводящийся на табло. В цифровых моделях точность измерения более высокая.

Аналоговые вольтметры разделяются: с подвижной катушкой, с подвижным железом, и электростатические.

Схема — вольтметр с подвижной катушкой

Вольтметры с подвижным железом используют в цепях переменного тока.

Схема — вольтметр с подвижным железом

Схема — электростатический вольтметр

Фото — стрелочный электромеханический вольтметр

У цифровых вольтметров в роли шкалы выступает табло.

Фото — цифровой вольтметр

На табло отражаются конкретные цифровые показатели.

Схема — повышение пределов измерения

Применение вольтметра

Приборы для измерения напряжения находят применение во многих областях и направлениях деятельности:

военно-промышленных комплексах;
на производственных предприятиях;
в радиоэлектронной промышленности;
научно-технических центрах;
лабораториях для испытаний и исследований;
мастерских по ремонту;
учебных заведениях.

Подключение в цепь

Вольтметр в цепи всегда подключается параллельно нагрузке либо источнику питания, если нужно измерить его ЭДС или напряжение на клеммах. Именно поэтому существуют такие жесткие требования к входному сопротивлению прибора, поскольку подобное его подсоединение подразумевает появление дополнительной проводимости в цепи.

Ни в коем случае не следует подключать вольтметр, цена которого хоть сколько-нибудь велика, в контур последовательно. Иначе пользователь рискует банально сжечь прибор, так и не успев выяснить то, ради чего все затевалось. Если даже если тот выдержит такое варварское обращение, его показаниям не следует доверять, поскольку ток в цепи претерпевает серьезные изменения при таком подключении вольтметра, опять же отодвигая в неизвестное возможность узнать действительное напряжение участка, в котором производятся измерения.

Меры безопасности при эксплуатации

Поскольку сопротивление самого вольтметра в большинстве случаев достаточно велико, а схема подключения, соответственно, используется параллельная, риск получить какой-либо серьезный удар током в низковольтной цепи минимален. Однако если речь о промышленных приборах, особенно в стационарном исполнении, это подразумевает огромные значения измеряемых величин как напряжений, так и, скорее всего, токов. Поэтому здесь техника безопасности должна быть на высочайшем уровне, и без достаточных знаний, резиновых перчаток, ковриков и других соответствующих мер, естественно, какая-либо активность противопоказана. То, что измеряет вольтметр, скорее всего, очень опасно для жизни, поэтому рекомендуем не испытывать судьбу. В любом случае прикасаться к оголенным проводам, даже если цепь по определению низковольтная, не следует.

Отвечая на вопрос о том, что измеряет вольтметр, мы рассмотрели в общих чертах его устройство, основные технические характеристики, классификацию. Конечно, этот небольшой обзор не претендует на всеобъемлющую полноту, особенно в условиях недостаточного количества базовых знаний по электротехнике у читателя.

Подытоживая, следует отметить, что измеряет вольтметр, конечно же, напряжение на участке цепи, к которому он подключен параллельно. В противном случае его показания будут недостоверны, не говоря уже об опасности возможной потери дорогостоящего оборудования. Читателю следует быть внимательным при эксплуатации прибора в домашних условиях, поскольку контакт с высоковольтными участками цепей опасен для жизни.