Номер 4, страница 358 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

4. Как устроен измерительный прибор электродинамической системы?

4. Измерительный прибор электродинамической системы — это устройство, принцип действия которого основан на механическом взаимодействии (притяжении или отталкивании) между проводниками с током, а именно, на взаимодействии магнитных полей, создаваемых неподвижной и подвижной катушками.

Основные конструктивные элементы и их назначение:

1. Неподвижная катушка (катушка тока): Создает основное магнитное поле. Как правило, она состоит из двух частей (секций) для получения более однородного поля. В амперметрах и ваттметрах эта катушка изготавливается из относительно толстого провода с малым числом витков, так как она включается в цепь последовательно и через нее протекает ток нагрузки.

2. Подвижная катушка (катушка напряжения): Размещается внутри неподвижной катушки и закреплена на оси, что позволяет ей вращаться. К оси жестко крепится указательная стрелка. Эта катушка обычно наматывается из очень тонкого провода с большим числом витков. Ее масса и момент инерции делаются как можно меньшими.

3. Пружинный механизм: Чаще всего это две спиральные пружины. Они выполняют две важные функции:

• Создают противодействующий момент, пропорциональный углу поворота подвижной катушки.
• Служат гибкими токоподводами для питания подвижной катушки.

4. Отсчетное устройство: Состоит из указательной стрелки, закрепленной на оси подвижной катушки, и шкалы, на которой нанесены деления (градуировка).

5. Успокоитель: Устройство для гашения колебаний подвижной системы, чтобы стрелка быстро и без многократных качаний устанавливалась на нужном значении. В электродинамических приборах чаще всего применяют воздушный успокоитель (демпфер), представляющий собой легкое алюминиевое крылышко, движущееся в замкнутой камере и тормозящееся за счет сопротивления воздуха.

6. Магнитный экран: Поскольку работа прибора основана на взаимодействии относительно слабых магнитных полей, он чувствителен к влиянию внешних магнитных полей. Для защиты от них измерительный механизм помещают в корпус (экран) из магнитомягкого материала (например, пермаллоя).

Принцип действия:

Когда через обе катушки (неподвижную и подвижную) протекают электрические токи $I_1$ и $I_2$, создаваемые ими магнитные поля взаимодействуют. В результате возникает вращающий момент $M_{вр}$, который стремится повернуть подвижную катушку. Этот момент пропорционален произведению токов и производной взаимной индуктивности катушек по углу поворота:

$M_{вр} = I_1 I_2 \frac{dM}{d\alpha}$

где $\text{M}$ — взаимная индуктивность, $\alpha$ — угол поворота.

Поворот подвижной катушки закручивает пружины, которые создают противодействующий момент $M_{пр}$, пропорциональный углу поворота:

$M_{пр} = D \cdot \alpha$

где $\text{D}$ — жесткость пружин.

Стрелка прибора останавливается, когда вращающий и противодействующий моменты уравновешиваются ($M_{вр} = M_{пр}$):

$I_1 I_2 \frac{dM}{d\alpha} = D \cdot \alpha$

Из этого следует, что угол отклонения стрелки $\alpha$ пропорционален произведению токов в катушках. В цепи переменного тока подвижная система из-за своей инерционности реагирует на среднее значение момента за период, поэтому угол отклонения оказывается пропорциональным произведению действующих (среднеквадратичных) значений токов и косинусу угла сдвига фаз между ними: $\alpha \propto I_1 I_2 \cos\varphi$. Это свойство позволяет использовать такие приборы для измерения активной мощности (ваттметры). При соответствующем включении катушек прибор может работать как амперметр или вольтметр в цепях постоянного и переменного тока.

Ответ:

Измерительный прибор электродинамической системы состоит из неподвижной катушки (часто из двух секций) и расположенной внутри неё подвижной катушки, закрепленной на оси. К оси прикреплены указательная стрелка и спиральные пружины, которые создают противодействующий момент и подводят ток к подвижной катушке. Взаимодействие магнитных полей токов, протекающих по катушкам, создает вращающий момент, который поворачивает подвижную катушку со стрелкой на угол, пропорциональный произведению токов. Для гашения колебаний стрелки используется успокоитель (обычно воздушный), а для защиты от внешних полей — магнитный экран.