5. Электр өлшегіш аспаптар жүйесі

Электрлік шамаларды олардың әртүрлі қасиеттеріне және әсерлеріне байланысты өлшейді:

а) механикалық;

екі пластиналардың арасындағы потенциалдар айырымын, олардың өзара тартылыс күштері арқылы;

б) химиялық;

электр зарядтарының шамасын анықтау үшін, электродтарда бөлінген заттың салмағын өлшеу арқылы;

в) жылулық;

өткізгіштің қызуын өлшеу арқылы және т.б.

Бір шаманы өлшеу көп жағдайда оған байланысты басқа бір шаманы өлшеумен ауыстырылады. Мысалы, тізбек бөлігінің кедергісін біле отырып және осы бөліктегі кернеудің түсуін өлшеп, Ом заңы бойынша токтың шамасын анықтауға болады. Өлшем абсолютті (зарядты электрометрмен өлшеу) немесе салыстырмалы (кедергіні көпірлі схемамен өлшеу) болуы мүмкін.

Өлшегіш аспаптар жұмыс істеу принциптеріне байланысты - магнитэлектрлік, электрмагниттік, жылулық, электрдинамикалық және т.б. болып бөлінеді (1.1. кесте). Мысалы, тұрақты магнит өрісінің электр тогымен механикалық әсерлесуі қолданылатын аспап, магнитэлектрлік аспап немесе магнитэлектрлік жүйесіне жататын аспап деп аталады. Кедергі арқылы ток өткен кезде жылулық эффекті қолданылатын аспаптар болады.

Электр өлшегіш аспаптардың жүйелері және олардың шартты белгілері:

1.1. кесте

Р/с	Аспаптың жүйесі	Жүйенің шартты белгісі
	Магнитэлектрлік
	Электрмагниттік
	Электрдинамикалық
	Жылулық

6. Магнитэлектрлік аспаптар

Лабораторияда тұрақты магниттің өлшенетін ток өтетін катушкаға әсеріне негізделген магнитэлектрлік аспаптар көбірек қолданылады, мысалы, гальванометр-жоғарғы сезімталды аспап, әлсіз токтарды және басқа электрлік шамаларды өлшеу үшін пайдаланылады. 1.2-суретте тілшелі () гальванометрдің схемасы көрсетілген.

Жұқа сым оралған катушка (рамка) k тұрақты магнитті полюстердің арасында айнала алады. Магнит өрісін ұлғайту үшін катушканың ішіне темір өзек С_р орналастырылған. Катушка арқылы ток жіберілгенде оның магниттік моменті өріс бойында орналасуға тырысады. Катушкаға әсер ететін айналдырушы момент М_а токқа тура пропорционал, яғни

, (1.7)

мұндағы k₁ коэффициенті магнит өрісінің кернеулігіне, катушканың орам сандарына, аспап элементтерінің өзара орындарына және өлшемдеріне байланысты болады. Катушканың және онымен байланысқан тілшесінің  бұрышқа бұрылуы кезінде спиральді серіппе П созылады да, кері момент М_с туғызады. Бұл момент бұрылу бұрышы -ге тура пропорционал, яғни

, (1.8)

1.2- сурет

мұндағы k₂ коэффициенті серіппенің материалына және өлшеміне байланысты болады.

Тепе - теңдік кезінде М_а=М_с, яғни

, , (1.9)

мұндағы n-пропорциональды Ш шкаладағы тілшенің көрсететін бөліктер саны. (1.9)-шы теңдеуден магнитэлектрлік гальванометрдің шкаласы бірқалыпты екенін көруге болады , яғни

і = С  n немесе n = S Һ і.

Аспап параметрлеріне тәуелді пропорционалдық коэффициент С аспаптың тұрақтысы деп аталады. Оған кері шама S= 1/С аспаптың сезімталдылығы деп аталады. Әдетте гальванометрдің тұрақтысы С= 10^-7 А / бөлік.

Гальванометрдің сезімталдылығын ұлғайту үшін оның жылжымалы бөлігін жеңілдендіреді және спиральды серіппені серпімді оралатын жіппен алмастырады да, оған кішкене катушканы іледі. Мұндай айналы гальванометрдің схемасы 1.3-суретте көрсетілген. Жіптің бұралу бұрышы  - ді өлшеу үшін оған кішкене айна А бекітеді. Жарық сәулесі жарық көзінен (К) айнаға түсіп, шағылып, аспаптан белгілі бір қашықтықта орналасқан мөлдір шкалаға түседі. Айна бұрылған кезде жарық “шұғыласы” шкала бойымен сәйкес бөлік сандарына орын ауыстырады. Айнадан шкалаға дейінгі қашықтық 1м болғанда шкаладағы бөліктер миллиметрмен өлшенеді.

Жоғарғы сезімталдылыққа сәйкес гальванометрдің тұрақтысы С = 10^-11 mА/мм болады.

1.3- сурет

Рамкаға қосымша жүктерді бекіте отырып (1.4-сурет), оның инерция моментін ұлғайтсақ, онда айналы гальванометрді баллистикалық гальванометрге ауыстыруға болады, енді оның көмегімен токтың қысқа уақыт мезеттеріндегі импульстерін өлшеуге болады.

1.4- сурет

Егер ток і кішкене уақыт аралығында рамка арқылы өтсе, онда өткен заряд q= і ~М_а , яғни күш моментінің импульсіне пропорционал болады. Механиканың заңдары бойынша бұл импульс рамканың қозғалыс мөлшерінің өсуіне тең, яғни М_а =І ( -0), мұндағы рамканың уақытының соңында алған бұрыштық жылдамдығы. Итерудің нәтижесінде рамка І ²/2 кинетикалық энергия алады да жіпті бұрай бастайды. Осы кезде серпімділік күшке қарсы жұмыс істелінеді және біраз уақыттан соң, әдетте 5-10⁰–тан кейін рамка  бұрышына тоқтайды. Осы моментте рамканың барлық кинетикалық энергиясына ауысады, яғни

,

мұндағы - жіптің серпімділік коэффициенті. Осыдан  ~ және басқа қатынастардан:

.

Заряд рамкадан өткен шұғыланың максималды ауытқуына тура пропорционал:

. (1.10)

С_б гальванометрдің баллистикалық тұрақтысы деп аталады және оның мәні:

.

Тоқтаған соң жіп ширатыла бастайды да, рамка тербеліске келеді, бұл тербелістер үйкелістің әсерінен өшпелі болады. Тербелісті басу үшін рамканы қысқаша тұйықтайды, осы кезде онда индукция тогы пайда болып, оның қозғалысын кенет тежейді.

Гальванометрдің рамкасы жіңішке сымнан оралады, сондықтан одан үлкен ток өткізуге болмайды.

Тізбектегі токты і өлшеу үшін амперметрлер қолданылады. Амперметр ретінде гальванометр қолданылады, ол үшін гальванометрге параллель кіші шунт жалғанады (1.5-сурет). Тармақталған тізбекте токтың көп бөлігі і_ш шунт арқылы өтеді. Шунттың кедергісі гальванометрдің кедергісінен әлдеқайда кіші болғандықтан (R_ш«R_r), Кирхгоф заңдарын қолдана отырып, алынған теңдеуден і_r-ді анықтаймыз:

.

, (1.11)

гальванометрдегі ток і_r тізбектегі ток і - ден әлдеқайда аз, бірақ оған пропорционал. Осы пропорционалдықты пайдалана отырып, гальванометрдің шкаласын тізбектегі токтың мәніне градуирлеуге болады.

1.5- сурет

Өлшеу кезінде амперметр тізбекке тізбектей жалғанады. Амперметрде жоғалатын қуатты кеміту үшін оның кедергісі R_A = R_rR_w/R_r+R_ш,тізбектің кедергісінен R_т кіші болу керек.

Көп шкалалы амперметрлерде шунттер жиынтығы болады, өлшенетін токтардың шамаларына байланысты бұлар іске қосылып отырады.

Гальванометрге тізбектей өте үлкен қосымша кедергі R_u>>R_r жалғай отырып, аспап арқылы өтетін токтың шамасын кемітіп, оны вольтметр ретінде қолдануға болады. Вольтметр тізбек бөлігіне параллель жалғанып, осы бөлікте кеміген кернеуді U өлшейді (1.6-сурет).

1.6- сурет

Ом заңы бойынша вольтметр арқылы өтетін ток тізбек бөлігінде кеміген кернеу U-ға тура пропорционал:

(1.12)

Осы пропорционалдықты пайдалана отырып, гальванометрдің шкаласын кернеу U-ға градуирлеуге болады.

Вольтметрді тізбекке қосқан кезде ол тізбекегі потенциалды өзгертпеуі үшін, вольтметрдің кедергісі тізбек бөлігінің кедергісінен әлдеқайда үлкен болуы керек, R_в >R_г , онда вольтметрді параллель жалғаған кездегі тізбек бөлігінің жалпы кедергісі:

.

Көп шкалалы вольтметрде кедергілер жиынтығы болады, олар өлшенетін кернеулерге байланысты іске қосылып отырады.