21.4: Voltmeters DC na Ammeters

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza kwa nini voltmeter inapaswa kushikamana sambamba na mzunguko.
• Chora mchoro unaoonyesha ammeter kwa usahihi kushikamana katika mzunguko.
• Eleza jinsi galvanometer inaweza kutumika kama voltmeter au ammeter.
• Pata upinzani ambao unapaswa kuwekwa katika mfululizo na galvanometer ili kuruhusu itumike kama voltmeter na kusoma fulani.
• Eleza kwa nini kupima voltage au sasa katika mzunguko hawezi kamwe kuwa sahihi.

Voltmeters kupima voltage, wakati ammeters kupima sasa. Baadhi ya mita katika dashibodi za magari, kamera za digital, simu za mkononi, na amplifiers ya tuner ni voltmeters au ammeters. (Angalia Kielelezo.) Ujenzi wa ndani wa mita rahisi zaidi na jinsi wanavyounganishwa na mfumo wanaofuatilia hutoa ufahamu zaidi katika matumizi ya uhusiano wa mfululizo na sambamba.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Viwango vya mafuta na joto (mbali kulia na kushoto mbali, kwa mtiririko huo) katika Volkswagen hii ya 1996 ni voltmeters zinazojiandikisha pato la voltage la vitengo vya “mtumaji”, ambazo ni pengine sawia na kiasi cha petroli katika tank na joto la inji. (mikopo: Christian Giersing)

Voltmeters zinaunganishwa sambamba na voltage yoyote ya kifaa inapaswa kupimwa. Uunganisho sambamba hutumiwa kwa sababu vitu vilivyo na uzoefu sawa na tofauti tofauti. (Angalia Mchoro, ambapo voltmeter inawakilishwa na ishara V.)

Ammeters ni kushikamana katika mfululizo na chochote sasa kifaa ni kupimwa. Uunganisho wa mfululizo hutumiwa kwa sababu vitu katika mfululizo vina sasa sawa vinavyopitia. (Angalia Mchoro, ambapo ammeter inawakilishwa na ishara A.)

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): (a) Ili kupima tofauti tofauti katika mzunguko huu wa mfululizo, voltmeter (V) imewekwa sambamba na chanzo cha voltage au mojawapo ya resistors. Kumbuka kuwa voltage ya terminal inapimwa kati ya pointi a na b Haiwezekani kuunganisha voltmeter moja kwa moja kwenye emf bila ikiwa ni pamoja na upinzani wake wa ndani\(r\) (b) voltmeter ya digital inayotumika. (mikopo: Messtechniker, Wikimedia Commons)

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Ammeter (A) imewekwa katika mfululizo ili kupima sasa. Yote ya sasa katika mzunguko huu inapita kupitia mita. Ammeter ingekuwa na kusoma sawa ikiwa iko kati ya pointi d na e au kati ya pointi f na a kama inavyofanya katika nafasi iliyoonyeshwa. (Kumbuka kuwa mji mkuu wa script E unasimama kwa emf, na\(r\) inasimama upinzani wa ndani wa chanzo cha tofauti tofauti.)

Mita za Analog: Galvanometers

Mita za Analog zina sindano inayozunguka ili kuelekeza namba kwa kiwango, kinyume na mita za digital, ambazo zina masomo ya namba sawa na calculator iliyoshikiliwa mkono. Moyo wa mita nyingi za analog ni kifaa kinachoitwa galvanometer, kilichoashiria G. mtiririko wa sasa kupitia galvanometer\(I_G\), hutoa deflection ya sindano ya sawia. (Uchafuzi huu ni kutokana na nguvu ya shamba la magnetic juu ya waya wa sasa wa kubeba.)

Tabia mbili muhimu za galvanometer iliyotolewa ni upinzani wake na unyeti wa sasa. Uelewa wa sasa ni wa sasa ambao hutoa uchafuzi kamili wa sindano ya galvanometer, sasa ya juu ambayo chombo kinaweza kupima. Kwa mfano, galvanometer na unyeti wa sasa wa\(50 \mu A\) ina upeo wa juu wa sindano yake wakati\(50 \, \mu A\) inapita kwa njia hiyo, inasoma kiwango cha nusu wakati\(25 \, \mu A\) inapita kwa njia hiyo, na kadhalika.

Ikiwa galvanometer hiyo ina\(25 \, \Omega\) upinzani, basi voltage ya tu\(V = IR = (50 \, \mu A)(25 \, \Omega) = 1.25 \, mV\) inazalisha kusoma kwa kiwango kikubwa. Kwa kuunganisha vipinga kwa galvanometer hii kwa njia tofauti, unaweza kuitumia kama voltmeter au ammeter ambayo inaweza kupima aina mbalimbali za voltages au mikondo.

Galvanometer kama Voltmeter

Kielelezo kinaonyesha jinsi galvanometer inaweza kutumika kama voltmeter kwa kuunganisha katika mfululizo na upinzani mkubwa,\(R\). Thamani ya upinzani\(R\) imedhamiriwa na voltage ya juu ya kupimwa. Tuseme unataka 10 V kuzalisha deflection kamili ya voltmeter iliyo na\(25 \, \Omega\) galvanometer yenye\(50-\mu A\) unyeti. Kisha 10 V kutumika kwa mita lazima kuzalisha sasa ya\(50 \, \mu A\). Upinzani wa jumla lazima uwe\[R_{tot} = R + r = \dfrac{V}{I} = \dfrac{10 \, V}{50 \, \mu A} = 200 \, k\Omega, \, or\]\[R = T_{tot} - r = 200 \, k\Omega - 25 \, \Omega \approx 200 \, k\Omega.\]

(\(R\)ni kubwa sana kwamba upinzani galvanometer\(r\),, ni karibu kidogo.) Kumbuka kuwa 5 V kutumika kwa voltmeter hii hutoa deflection nusu wadogo kwa kuzalisha\(25 \, \mu A\) sasa kupitia mita, na hivyo kusoma voltmeter ni sawia na voltage kama taka.

Voltmeter hii haiwezi kuwa na manufaa kwa voltages chini ya nusu ya volt, kwa sababu kufuta mita itakuwa ndogo na vigumu kusoma kwa usahihi. Kwa safu nyingine za voltage, upinzani mwingine huwekwa katika mfululizo na galvanometer. Mita nyingi zina uchaguzi wa mizani. Uchaguzi huo unahusisha kubadili upinzani sahihi katika mfululizo na galvanometer.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Upinzani mkubwa\(R\) uliowekwa katika mfululizo na galvanometer G hutoa voltmeter, uharibifu kamili wa ambayo inategemea uchaguzi wa\(R\). Voltage kubwa ya kupimwa, kubwa\(R\) lazima iwe. (Kumbuka kwamba\(r\) inawakilisha upinzani wa ndani wa galvanometer.)

Galvanometer kama Ammeter

Galvanometer hiyo pia inaweza kufanywa kuwa ammeter kwa kuiweka sawa na upinzani mdogo\(R\), mara nyingi huitwa upinzani wa shunt, kama inavyoonekana kwenye Mchoro. Kwa kuwa upinzani wa shunt ni mdogo, wengi wa sasa hupita kwa njia hiyo, kuruhusu ammeter kupima mikondo kubwa zaidi kuliko wale wanaozalisha deflection kamili ya galvanometer.

Tuseme, kwa mfano, ammeter inahitajika ambayo inatoa deflection kamili kwa 1.0 A, na ina\(25-\Omega\) galvanometer sawa na\(50-\mu A\) unyeti wake. Tangu\(R\) na\(r\) ni sawa, voltage kote yao ni sawa.

\(IR\)Matone haya ni\(IR = I_Cr\) hivyo\(IR = \frac{I_G}{I} = \frac{R}{r}\). Kutatua kwa\(R\), na kubainisha kuwa\(I_G\)\(I\) ni\(50 \, \mu A\) 0.999950 A, tuna\[R = r\dfrac{I_G}{I} = (25 \, \Omega) \dfrac{50 \, \mu A}{0.999950 \, A} = 1.25 \times 10^{-3} \, \Omega.\]

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Upinzani mdogo wa shunt\(R\) uliowekwa sambamba na galvanometer G hutoa ammeter, kufuta kwa kiwango kikubwa ambacho kinategemea uchaguzi wa\(R\). Ya sasa kubwa ya kupimwa, ndogo\(R\) lazima iwe. Wengi wa sasa (\(I\)) unaozunguka kupitia mita hupigwa kwa njia ya\(R\) kulinda galvanometer. (Kumbuka kwamba\(r\) inawakilisha upinzani wa ndani wa galvanometer.) Ammeters pia kuwa na mizani nyingi kwa kubadilika zaidi katika maombi. Mizani mbalimbali hupatikana kwa kubadili upinzani mbalimbali wa shunt kwa sambamba na galvanometer-zaidi ya sasa ya kiwango cha juu cha kupimwa, ndogo ya upinzani wa shunt lazima iwe.

Kuchukua Mipangilio Inabadilisha Circuit

Unapotumia voltmeter au ammeter, unaunganisha kupinga mwingine kwenye mzunguko uliopo na, kwa hiyo, kubadilisha mzunguko. Kwa kweli, voltmeters na ammeters haziathiri mzunguko, lakini ni kufundisha kuchunguza hali ambazo hufanya au haziingilii.

Kwanza, fikiria voltmeter, ambayo daima huwekwa sawa na kifaa kinachopimwa. Sasa kidogo sana inapita kupitia voltmeter ikiwa upinzani wake ni maagizo machache ya ukubwa mkubwa kuliko kifaa, na hivyo mzunguko hauathiriwa sana. (Angalia Kielelezo (a).) (Upinzani mkubwa unaofanana na mdogo una upinzani wa pamoja sawa na mdogo.) Ikiwa, hata hivyo, upinzani wa voltmeter unafanana na ule wa kifaa kinachopimwa, basi mbili katika sambamba zina upinzani mdogo, unaathiri sana mzunguko. (Angalia Kielelezo (b).) Voltage katika kifaa si sawa na wakati voltmeter iko nje ya mzunguko.

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): (a) Voltmeter kuwa upinzani kubwa zaidi kuliko kifaa (\( R_{Voltmeter} >> R\)) na ambayo ni sambamba inazalisha upinzani sambamba kimsingi sawa na kifaa na haina appreciably kuathiri mzunguko kuwa kipimo. (b) Hapa voltmeter ina upinzani sawa na kifaa (\( R_{Voltmeter} \approx R\)), ili upinzani sambamba ni nusu ya nini wakati voltmeter haijaunganishwa. Hii ni mfano wa mabadiliko makubwa ya mzunguko na ni kuepukwa.

Ammeter imewekwa katika mfululizo katika tawi la mzunguko unaopimwa, ili upinzani wake uongeze kwenye tawi hilo. Kwa kawaida, upinzani wa ammeter ni mdogo sana ikilinganishwa na kupinga kwa vifaa katika mzunguko, na hivyo upinzani wa ziada ni mdogo. (Angalia Kielelezo (a).) Hata hivyo, ikiwa kupinga mzigo mdogo sana unahusishwa, au ikiwa ammeter sio chini ya upinzani kama inavyopaswa kuwa, basi upinzani wa mfululizo wa jumla ni mkubwa zaidi, na sasa katika tawi la kupimwa limepunguzwa. (Angalia Kielelezo (b).)

Tatizo la vitendo linaweza kutokea ikiwa ammeter imeunganishwa vibaya. Ikiwa imewekwa sambamba na kupinga kupima sasa ndani yake, unaweza uwezekano wa kuharibu mita; upinzani mdogo wa ammeter utawawezesha zaidi ya sasa katika mzunguko kupitia galvanometer, na sasa hii itakuwa kubwa kwa kuwa upinzani wa ufanisi ni mdogo.

Kielelezo\(\PageIndex{7}\): (a) Ammeter kawaida ina upinzani mdogo sana kwamba upinzani wa mfululizo wa jumla katika tawi la kupimwa haukuongezeka kwa thamani. Mzunguko huo ni kimsingi unaltered ikilinganishwa na wakati ammeter haipo. (b) Hapa upinzani wa ammeter ni sawa na ule wa tawi, ili upinzani wa jumla uwe mara mbili na sasa ni nusu ya nini bila ammeter. Mabadiliko haya muhimu ya mzunguko ni kuepukwa.

Suluhisho moja kwa tatizo la voltmeters na ammeters zinazoingilia kati ya nyaya zinazopimwa ni kutumia galvanometers na unyeti mkubwa. Hii inaruhusu ujenzi wa voltmeters na upinzani mkubwa na ammeters na upinzani mdogo kuliko wakati galvanometers nyeti hutumiwa.

Kuna mipaka ya vitendo kwa unyeti wa galvanometer, lakini inawezekana kupata mita za analog zinazofanya vipimo sahihi kwa asilimia chache. Kumbuka kuwa usahihi unatoka kwa kubadilisha mzunguko, sio kutokana na kosa katika mita.

UHUSIANO: MIPAKA YA UJUZI

Kufanya kipimo hubadilisha mfumo wa kupimwa kwa namna inayozalisha kutokuwa na uhakika katika kipimo. Kwa mifumo ya macroscopic, kama vile nyaya zilizojadiliwa katika moduli hii, mabadiliko yanaweza kufanywa kwa kiasi kidogo, lakini haiwezi kuondolewa kabisa. Kwa mifumo ya submicroscopic, kama vile atomi, nuclei, na chembe ndogo, kipimo kinabadilisha mfumo kwa namna ambayo haiwezi kufanywa kiholela ndogo. Hii kwa kweli hupunguza ujuzi wa mfumo-hata kupunguza kile asili inaweza kujua kuhusu yenyewe. Tutaona madhara makubwa ya hii wakati kanuni Heisenberg kutokuwa na uhakika ni kujadiliwa katika modules juu quantum mechanics.

Kuna mbinu nyingine ya kipimo kulingana na kuchora hakuna sasa kabisa na, kwa hiyo, si kubadilisha mzunguko wakati wote. Hizi huitwa vipimo vya null na ni mada ya Vipimo vya Null. Digital mita kwamba kuajiri imara-hali ya umeme na vipimo null inaweza kufikia usahihi wa sehemu moja katika\(10^6\).

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Mita za digital zinaweza kuchunguza mikondo ndogo kuliko mita za analog zinazoajiri galvanometers. Hii inaelezeaje uwezo wao wa kupima voltage na sasa kwa usahihi zaidi kuliko mita za analog?

Jibu

Kwa kuwa mita za digital zinahitaji chini ya sasa kuliko mita za analog, zinabadilisha mzunguko chini ya mita za analog. Upinzani wao kama voltmeter inaweza kuwa kubwa zaidi kuliko mita ya analog, na upinzani wao kama ammeter inaweza kuwa mbali chini ya mita ya analog. Shauriana Kielelezo na Kielelezo na majadiliano yao katika maandishi.

PHET EXPLORATIONS: CIRCUIT UJENZI KIT (DC TU), VIRTUAL LAB

Kuhamasisha neuroni na kufuatilia kinachotokea. Pause, rewind, na kusonga mbele kwa wakati ili kuchunguza ions kama wao hoja katika utando neuron.

Kielelezo\(\PageIndex{8}\): Kitengo cha Ujenzi wa Circuit (DC Tu), Maabara

Muhtasari

• Voltmeters kupima voltage, na ammeters kupima sasa.
• Voltmeter imewekwa sambamba na chanzo cha voltage kupokea voltage kamili na lazima iwe na upinzani mkubwa ili kupunguza athari zake kwenye mzunguko.
• Ammeter imewekwa katika mfululizo ili kupata sasa kamili inayozunguka kupitia tawi na lazima iwe na upinzani mdogo ili kupunguza athari zake kwenye mzunguko.
• Wote wanaweza kutegemea mchanganyiko wa kupinga na galvanometer, kifaa kinachopa kusoma analog ya sasa.
• Vipimo vya kawaida na ammeters hubadilisha mzunguko unaopimwa na hivyo ni mdogo kwa usahihi.

faharasa

voltmeter

chombo kinachopima voltage

ammeter

chombo kwamba hatua ya sasa

mita ya analog

chombo cha kupimia ambacho kinatoa kusoma kwa namna ya harakati ya sindano juu ya kupima alama

mita ya digital

chombo cha kupimia ambacho kinatoa kusoma kwa fomu ya digital

galvanometer

kifaa cha kupima analog, kilichoashiria G, kinachopima mtiririko wa sasa kwa kutumia uchafu wa sindano unaosababishwa na nguvu ya shamba la magnetic inayofanya waya wa sasa

unyeti wa sasa

kiwango cha juu cha sasa kwamba galvanometer inaweza kusoma

deflection kamili wadogo

upeo wa juu wa sindano ya galvanometer, pia inajulikana kama unyeti wa sasa; galvanometer yenye uharibifu kamili wa\(50 \, \mu A\) kiwango kikubwa cha sindano yake wakati\(50 \, \mu A\) inapita kwa njia hiyo

shunt upinzani

upinzani mdogo\(R\) uliowekwa sambamba na galvanometer G ili kuzalisha ammeter; kubwa ya sasa ya kupimwa, ndogo\(R\) lazima iwe; zaidi ya sasa inapita kupitia mita ni shunted kupitia\(R\) kulinda galvanometer