Ты уже знаешь, что токи измеряют амперметрами, миллиамперметрами или микроамперметрами, напряжения — вольтметрами, а то и милливольтметрами. Несмотря на различия в наименованиях, все эти приборы работают принципиально одинаково: отклонение стрелки покатывает, что через прибор течет ток. Чем больше ток, тем больше отклонение стрелки прибора. А шкалу прибора, в зависимости от того, для каких измерений он приспособлен, градуируют соответственно в амперах, миллиамперах, вольтах. Так же работает и омметр — прибор для измерения сопротивлений резисторов, цепей.
Существует несколько систем стрелочных приборов: электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические. Для радиотехнических же измерений применяют главным образом приборы магнитоэлектрической системы, обладающие по сравнению с приборами других систем рядом преимуществ, в том числе высокой чувствительностью, большой точностью результатов измерений и равномерностью шкал.
Чтобы лучше уяснить принцип работы электроизмерительного прибора такой системы, предлагаю провести опыт с моделью этого прибора. Ее конструкция показана на рис. 106.
Рис. 106. Модель прибора магнитоэлектрической системы
Из тонкого картона вырежь две полоски шириной 12–15 мм и склей из них рамки: квадратную со сторонами длиной 20 мм и прямоугольную со сторонами 30 и 40 мм. Чтобы углы рамки были прямыми, картон с наружной стороны изгибов надрежь ножом. В квадратную рамку вставь ось — швейную иглу длиной 40 мм, проколов ею противоположные стороны рамки. Намотай на эту рамку 150–200 витков провода ПЭВ-1 0,15-0,25, уложив их поровну по обе стороны от оси. Чтобы витки не сползали, готовую катушку скрепи тонким слоем клея БФ-2 или кусочками липкой ленты.
Один конец провода длиной 5–6 см получившейся катушки с предварительно удаленной эмалью намотай на иглу и закрепи в ушке. Другой конец такой же длины пропусти петлей через проколы в каркасе и сверни спиралью. В средней части верхней стороны второй рамки закрепи полоску жести, предварительно сделав в ней небольшое углубление для тупого конца иглы; она же будет служить и выводным контактом катушки. Спиралевидный конец провода катушки припаяй к жестяной скобке, обжимающей край картона нижней стороны рамки. Изгибая витки спирали, установи катушку так, чтобы ее плоскость была параллельна плоскости внешней рамки. Легко вращаясь на оси в обе стороны, катушка под действием пружинящей спирали должна возвращаться в исходное положение.
Помести катушку между полюсами подковообразного магнита и подключи к ней через лампу карманного фонаря батарею 3336Л. Образуется электрическая цепь. Лампа загорится, а магнитное поле тока в катушке, взаимодействуя с полем магнита, заставит повернуться ее на некоторый угол. Чем меньше ток в катушке, тем меньше угол поворота катушки. В этом нетрудно убедиться, включая последовательно в цепь катушки отрезки проволоки сопротивлением в несколько ом. Измени включение полюсов батареи на обратное или переверни магнит. Теперь катушка будет поворачиваться в противоположном направлении.
К рамке катушки можно приклеить легкую стрелку, а к магниту полоску плотной бумаги с делениями. Получится простейший прибор, которым можно грубо измерять постоянный ток. А если в измерительную цепь включить диод, он будет реагировать и на переменный ток.
Устройство стрелочного прибора магнитоэлектрической системы приборов типа М24 и М49 — показано на рис. 107.
Рис. 107. Устройство измерительного механизма магнитоэлектрической системы и внешний вид приборов М24 и М49
Измерительный механизм прибора состоит из неподвижной магнитной системы и подвижной части, связанной с отсчетным приспособлением. В магнитную систему входят постоянный магнит 2 с полюсными наконечниками 3 и цилиндрический сердечник 10. Полюсные наконечники и сердечник изготовлены из магнитомягкого материала («мягкими» называют сплавы железа, обладающие малым магнитным сопротивлением, но сами не намагничивающиеся). Воздушный зазор между полюсными наконечниками и сердечником везде одинаков, благодаря чему в зазоре устанавливается равномерное магнитное поле, что является обязательным условием для равномерности шкалы.
Подвижная часть механизма прибора состоит из рамки 11, двух кернов-полуосей 5 рамки, двух плоских спиральных пружин 8 и стрелки 1 отсчетного приспособления с противовесами 9. Рамка представляет собой катушку, намотанную изолированным медным или алюминиевым проводом на прямоугольном каркасе из тонкой бумаги или фольги (рамки приборов особо высокой чувствительности бескаркасные). Керны служат осью вращения рамки. Для уменьшения трения концы подпятников 4, на которые опираются керны, выполняют из полудрагоценных камней. Керны прикреплены к рамке с помощью буксов.
Спиральные пружины, изготовляемые обычно из ленты фосфористой бронзы, создают противодействующий момент, который стремится возвратить рамку в исходное положение при ее отклонении. Они, кроме того, используются и как токоотводы. Наружный конец одной из пружин скреплен с корректором. Корректор, состоящий из эксцентрика 6, укрепленного на корпусе прибора, и рычага 7, соединенного с пружиной, служит для установки стрелки прибора на нулевое деление шкалы. При повороте эксцентрика поворачивается и рычаг, вызывая дополнительное закручивание пружины. Подвижная часть механизма при этом поворачивается, и стрелка отклоняется на соответствующий угол.
Электроизмерительный прибор этой системы, как и его модель, которую, надеюсь, ты испытал, работает следующим образом. Когда через рамку течет ток, вокруг нее образуется магнитное поле. Это поле взаимодействует с полем постоянного магнита, в результате чего рамка вместе со стрелкой поворачивается, отклоняясь от первоначального положения. Отклонение стрелки от нулевой отметки будет тем большем, чем больше ток в катушке. При повороте рамки спиральные пружины закручиваются. Как только прекращается ток в рамке, пружины возвращают ее, а вместе с нею и стрелку прибора в нулевое положение.
Таким образом, прибор магнитоэлектрической системы является не чем иным, как преобразователем постоянного тока в механическое усилие, поворачивающее рамку. О значении этого тока судят по углу, на который под его воздействием смогла повернуться рамка.
Основных электрических параметров, по которым можно судить о возможном применении прибора для тех или иных измерений, два: ток полного отклонения стрелки Iи, т. е. наибольший (предельный) ток, при котором стрелка отклоняется до конечной отметки шкалы, и сопротивление рамки прибора Rи. О первом параметре прибора обычно говорит его шкала. Так, например, если на шкале написано μА (микроамперметр) и возле конечной отметки шкалы стоит число 100, значит, ток полного отклонения стрелки равен 100 мкА (0,1 мА). Такой прибор можно включать только в ту цепь, ток в которой не превышает 100 мкА. Больший ток может повредить прибор. Значение второго параметра Rи, необходимого при расчете конструируемых измерительных приборов, часто указывают на шкале. Для комбинированного измерительного прибора, о котором я буду рассказывать в этой беседе, потребуется микроамперметр на ток 100 мкА, желательно с большой шкалой, например такой, как нс разбирая его? Для этого достаточно взглянуть на условный знак на шкале.
Если он изображает подковообразный магнит с прямоугольником между его полюсами, значит, прибор магнитоэлектрической системы с подвижной рамкой. Рядом с ним еще знак, указывающий положение прибора, в котором он должен находиться при измерениях. Если не придерживаться этого указания, то прибор будет давать неточные показания. Эти и некоторые другие условные обозначения на шкалах приборов изображены на рис. 108.