Как измерить силу электрического тока в цепи

Измерить силу тока можно различными способами, однако далеко не все из них применимы в повседневной жизни. К примеру, различные измерительные трансформаторы, подключаемые в цепь, крайне неудобно переносить по дому и даже хранить на полке в гараже. Поэтому актуальными средствами измерительной техники являются амперметры, мультиметры и клещи. Далее рассмотрим детально особенности работы и применения каждого из них.

Амперметр

Это один из наиболее простых измерительных приборов, который реагирует на изменение токовой нагрузки. С электротехнической точки зрения амперметр представляет собой нулевой или бесконечно малое сопротивление. Поэтому в случае приложения напряжения только к прибору, в нем возникнет ток короткого замыкания, из-за чего амперметр включается в цепь последовательно замеряемой нагрузке. Для наглядности стоит пояснить, что измерить силу тока в розетке нельзя, так как без нагрузки (в случае разомкнутой цепи) ток в ней не протекает, на контактах розетки присутствует только напряжение, поэтому подключение амперметра напрямую приведет к замыканию.

Под электрическим током подразумевается направленное движение заряженных частиц, которое проходит через поперечное сечение проводника за определенную единицу времени. Поэтому запомните, что токовая нагрузка возникает лишь от включения бытового электроприбора к источнику питания. Включение амперметра отдельно к точке электроснабжения или отдельно к рабочему двухполюснику никоим образом не даст информации о силе тока. Если рассмотреть пример на схеме, то чтобы замерить амперы вы должны включить прибор в линию последовательно к объекту измерения:

Рис. 1. Пример подключения амперметра

Как видите, основная сложность заключается в том, что процесс измерения происходит непосредственно в момент протекания электрической энергии, соответственно, велика вероятность поражения электрическим током в случае нарушения технологии.

Чтобы избежать плачевных последствий, необходимо соблюдать такие правила:

• Подключение производится только при отсутствии напряжения;
• Измерительные провода должны быть заизолированы, а места подключения удалены от человека, при необходимости исключена возможность прикосновения к ним;
• Выведение амперметра из цепи измерения тока также выполняется при снятом напряжении.

Так как амперметр является узконаправленным прибором для измерения силы тока, его редко кто хранит у себя дома. Поэтому если вы хотите приобрести приспособление, куда выгоднее обзавестись мультиметром, который обладает значительно более широким функционалом.

Мультиметр

Этот прибор также называют тестером, Ц-эшкой, поэтому в обиходе можно встретить разные поколения мультиметра. Принцип использования мультиметра в качестве средства для измерения тока в цепи полностью аналогично амперметру, как по схеме включения, так и по предъявляемым мерам предосторожности. Однако следует отметить, что мультиметр мультиметру рознь, поэтому перед включением тестера обязательно посмотрите, подходит ли он, чтобы измерить ток в вашем случае.

Из конструктивных особенностей сразу отметим:

• Диапазон измерения – выставляется переключателем на определенную величину силы тока. Выбирается таким, чтобы предполагаемая нагрузка его не превышала, но была соизмеримой.
• Род тока – переменный или постоянный, заметьте, что некоторые модели мультиметров предоставляют возможность измерить только один вариант.
• Разделение на слаботочные и силовые измерения – такие приборы имеют отдельную шкалу на мА, мкА и отдельную для А. Также в них могут располагаться отдельные разъемы, чтобы подключить щупы.
• Наличие защиты от перегрузки при подключении измерительных устройств, обозначается отметкой unfused. Которая свидетельствует о наличии предохранителя, способного предотвратить выход со строя мультиметра от протекания чрезмерной силы тока.

По способу отображения информации все мультиметры подразделяются на циферблатные и дисплейные. Первые из них – довольно устаревшая модель, ориентироваться по ним смогут только искушенные электрики, знакомые с основами метрологии. Новичок же может запутаться в показаниях на шкале, цене деления или какими единицами измеряется нагрузка. Поэтому применение цифрового прибора куда проще и удобнее, на дисплее отображается конкретное число.

Токоизмерительные клещи

Это наиболее удобный прибор, так как чтобы измерить силу тока токоизмерительными клещами, нет нужды разрывать цепь. Конструктивно клещи представляют собой разъемный магнитопровод, в который и помещается проводник, на котором вы хотите померить силу тока. Токоизмерительные клещи имеют схожесть с тем же мультиметром, а в более продвинутых моделях вы встретите такой же переключатель с функцией определения мощности, напряжения, сопротивления, силы тока и разъемы для подключения щупов.

Катушка индуктивности

Он представляет собой изолированный провод, многократно намотанный вокруг сердечника.

Обычно каркас имеет цилиндрическую или тороидальную форму.

Индуктивность рассматривается в качестве основной характеристики катушки. Это качество выражает способность элемента осуществлять преобразование переменного тока в магнитное поле.

Важно! Магнитные свойства существуют даже у одиночного провода, при условии, что изменяется проходящий через него ток. Воздействие поля направлено так, чтобы противодействовать его изменению. Если он будет увеличиться, поле будет его тормозить, а если ослабевать — усиливать.

Катушки индуктивности

Определение направления силовых линий подчиняется «правилу большого пальца»: если у сжатой в кулак руки большой палец указывает в направлении изменения силы тока, то сомкнутые пальцы подсказывают направление силовых линий поля.

Таким образом в том случае, если провод многократно намотан на цилиндрическое основание, то силовые линии от разных витков складываются и проходят через ось.

Для того, чтобы многократно увеличить индуктивность, в центр цилиндра помещают сердечник из ферромагнитного материала.

Резистор и сопротивление

Это справедливо и для большего количества соединённых последовательно резисторов:

Цепь из последовательно соединённых резисторов будет всегда иметь сопротивление большее, чем у любого резистора из этой цепи.

При последовательном соединении резисторов изменение сопротивления любого резистора из этой цепи влечёт за собой как изменение сопротивления всей цепи так и изменение силы тока в этой цепи.

Мощность при последовательном соединении

R = 200 + 100 + 51 + 39 = 390 Ом

Учитывая напряжение в цепи, равное 100 В, по закону Ома сила тока будет составлять

I = U/R = 100 В/390 Ом = 0,256 A

На основании полученных данных можно рассчитать мощность резисторов при последовательном соединении по следующей формуле:

P = I 2 x R = 0,256 2 x 390 = 25,55 Вт

Таким же образом можно рассчитать мощность каждого отдельно взятого резистора:

P₁ = I 2 x R₁ = 0,256 2 x 200 = 13,11 Вт;
P₂ = I 2 x R₂ = 0,256 2 x 100 = 6,55 Вт;
P₃ = I 2 x R₃ = 0,256 2 x 51 = 3,34 Вт;
P₄ = I 2 x R₄ = 0,256 2 x 39 = 2,55 Вт.

Если сложить полученные мощности, то общая Р составит:

Р_общ = 13,11 + 6,55 + 3,34 + 2,55 = 25,55 Вт

Параллельное соединение резисторов

Расчет параллельного сопротивления двух параллельно соединённых резисторов R₁ и R₂ производится по следующей формуле:

Параллельное соединение трёх и более резисторов требует более сложной формулы для вычисления общего сопротивления:

Сопротивление параллельно соединённых резисторов будет всегда меньше, чем у любого из этих резисторов.

Параллельное соединение резисторов часто используют в случаях, когда необходимо сопротивление с большей мощностью. Для этого, как правило, используют резисторы с одинаковой мощностью и одинаковым сопротивлением. Общая мощность, в таком случае, вычисляется умножением мощности одного резистора на количество параллельно соединённых резисторов.

Мощность при параллельном соединении

1/R = 1/200 + 1/100 + 1/51 + 1/39 ≈ 0,06024 Ом
R = 1 / 0,06024 ≈ 16,6 Ом

Используя значение напряжения 100 В, по закону Ома рассчитывается сила тока

I = U/R = 100 В x 0,06024 Ом = 6,024 A

Зная силу тока, мощность резисторов, соединенных параллельно, определяется следующим образом

P = I 2 x R = 6,024 2 x 16,6 = 602,3 Вт

Расчет силы тока для каждого резистора выполняется по формулам:

На примере этих сопротивлений прослеживается закономерность, что с уменьшением сопротивления, сила тока увеличивается.

Существует еще одна формула, позволяющая рассчитать мощность при параллельном подключении резисторов:

P₁ = U 2 /R₁ = 100 2 /200 = 50 Вт;
P₂ = U 2 /R₂ = 100 2 /100 = 100 Вт;
P₃ = U 2 2/R₃ = 100 2 /51 = 195,9 Вт;
P₄ = U 2 2/R₄ = 100 2 /39 = 256,4 Вт