Вопросы, страница 43 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Вопросы

1. Каков принцип действия вольтметра?

2. Чем отличается вольтметр от амперметра?

3. Что произойдёт, если вольтметр по ошибке будет включён в цепь последовательно вместо амперметра?

4. Что произойдёт, если амперметр по ошибке будет подключён к полюсам источника тока вместо вольтметра?

1. Каков принцип действия вольтметра?

Принцип действия большинства вольтметров (магнитоэлектрической системы) основан на магнитном действии электрического тока. Вольтметр представляет собой измерительный прибор, состоящий из чувствительного элемента (гальванометра) и добавочного резистора с очень большим сопротивлением, включенного последовательно с ним.

Когда вольтметр подключается к точкам цепи, между которыми измеряется напряжение, через его рамку с обмоткой начинает протекать небольшой ток. Рамка находится в поле постоянного магнита. Согласно силе Лоренца, на проводники рамки, по которым течет ток, действует сила, создающая вращающий момент. Этот момент поворачивает рамку вместе с прикрепленной к ней стрелкой.

Вращению рамки противодействует пружина, которая создает упругий момент, пропорциональный углу поворота. Рамка поворачивается до тех пор, пока вращающий момент от силы тока не уравновесится моментом упругости пружины. Угол поворота стрелки оказывается прямо пропорциональным силе тока, протекающего через прибор.

Согласно закону Ома, сила тока $\text{I}$ в цепи вольтметра прямо пропорциональна приложенному напряжению $\text{U}$ и обратно пропорциональна полному сопротивлению вольтметра $R_V$: $I = U / R_V$. Так как сопротивление вольтметра $R_V$ — величина постоянная и очень большая, то сила тока $\text{I}$ и, следовательно, угол поворота стрелки, прямо пропорциональны измеряемому напряжению $\text{U}$. Шкала прибора градуируется в вольтах.

Ответ: Принцип действия вольтметра основан на зависимости силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, от силы тока, которая, в свою очередь, пропорциональна измеряемому напряжению из-за высокого внутреннего сопротивления прибора.

2. Чем отличается вольтметр от амперметра?

Вольтметр и амперметр — это приборы для измерения разных электрических величин, и они имеют ключевые различия в назначении, способе подключения и внутреннем устройстве:

1. Назначение: Вольтметр измеряет напряжение (разность потенциалов) между двумя точками электрической цепи. Единица измерения — вольт (В). Амперметр измеряет силу тока, протекающего через участок цепи. Единица измерения — ампер (А).

2. Способ подключения: Вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение. Это необходимо, чтобы измерить разность потенциалов между теми же двумя точками, к которым подключен элемент цепи. Амперметр подключается последовательно в разрыв цепи, чтобы через него прошел весь измеряемый ток.

3. Внутреннее сопротивление: Вольтметр должен обладать очень большим внутренним сопротивлением. Это нужно для того, чтобы при его подключении ток через него был минимален и не оказывал существенного влияния на режим работы цепи и измеряемое напряжение. Идеальный вольтметр имеет бесконечно большое сопротивление ($R_V \to \infty$). Амперметр, наоборот, должен обладать очень малым внутренним сопротивлением. Это необходимо, чтобы при включении в цепь он не создавал дополнительного сопротивления и не изменял силу тока, которую он измеряет. Идеальный амперметр имеет нулевое сопротивление ($R_A \to 0$).

Ответ: Вольтметр отличается от амперметра измеряемой величиной (напряжение против силы тока), способом подключения (параллельное против последовательного) и величиной внутреннего сопротивления (очень большое у вольтметра и очень малое у амперметра).

3. Что произойдёт, если вольтметр по ошибке будет включён в цепь последовательно вместо амперметра?

Если вольтметр, обладающий очень большим внутренним сопротивлением (порядка мегаом, МОм), включить в цепь последовательно, то его сопротивление суммируется с сопротивлением остальной цепи. Общее сопротивление цепи $R_{общ} = R_{цепи} + R_V$ станет очень большим.

Согласно закону Ома для полной цепи, сила тока $I = \mathcal{E} / R_{общ}$, где $\mathcal{E}$ — ЭДС источника. Поскольку общее сопротивление $R_{общ}$ станет огромным, сила тока $\text{I}$ в цепи упадет до очень малого значения, близкого к нулю.

В результате этого нагрузка в цепи (например, лампочка) перестанет работать, так как ток будет недостаточен для ее функционирования. Сам вольтметр при этом покажет значение, близкое к ЭДС источника тока, так как почти все падение напряжения произойдет на его огромном сопротивлении. Прибор при этом не повредится, но цепь фактически окажется разомкнутой, и получить корректные измерения или заставить цепь работать не получится.

Ответ: При последовательном включении вольтметра в цепь сила тока в ней станет пренебрежимо малой, и цепь практически перестанет работать. Вольтметр покажет напряжение, близкое к ЭДС источника, и не выйдет из строя.

4. Что произойдёт, если амперметр по ошибке будет подключён к полюсам источника тока вместо вольтметра?

Подключение амперметра к полюсам источника тока (то есть параллельно источнику) является грубейшей ошибкой и крайне опасно. Амперметр имеет очень малое внутреннее сопротивление ($R_A \approx 0$).

Когда амперметр подключается напрямую к полюсам источника, он создает цепь с ничтожно малым сопротивлением. Такое состояние цепи называется коротким замыканием. Согласно закону Ома, ток в цепи $I = \mathcal{E} / R_A$ (пренебрегая внутренним сопротивлением источника) достигнет огромного значения, ограниченного лишь малым сопротивлением самого амперметра и внутренним сопротивлением источника.

Этот ток, называемый током короткого замыкания, во много раз превышает номинальный ток, на который рассчитан амперметр. В результате через прибор потечет разрушительный ток, что приведет к его мгновенному выходу из строя — измерительная рамка и обмотка сгорят. Кроме того, это может привести к повреждению источника питания, перегреву проводов и даже возгоранию.

Ответ: Произойдет короткое замыкание. Через амперметр потечет очень большой ток, который выведет прибор из строя (он сгорит) и может повредить источник тока.