Обсудим, страница 191 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

ОБСУДИМ?

Прочитайте описание устройства гальванометра.

Между полюсами магнита на оси помещена маленькая рамка 1. С ней жёстко связана стрелка 2. Выводы от рамки идут к клеммам прибора. При включении прибора в цепь по рамке протекает постоянный ток, и она стремится установиться перпендикулярно магнитным линиям. Однако сделать это ей мешают две спиральные пружины 3. Чем больше значение силы тока, который течёт по рамке, тем большая закручивающая сила действует на её проводники и тем на больший угол поворачивается рамка. Вместе с рамкой поворачивается стрелка, которая скользит вдоль шкалы прибора.

С помощью каких несложных конструктивных изменений гальванометр можно преобразовать в вольтметр или амперметр? Как изменится при этом шкала прибора?

Гальванометр — это высокочувствительный прибор, предназначенный для измерения очень малых сил тока. Его работа основана на вращении рамки с током в магнитном поле. Угол поворота рамки, а следовательно, и связанной с ней стрелки, прямо пропорционален силе тока, протекающего через рамку. Поскольку гальванометр рассчитан на очень малые токи и имеет низкое внутреннее сопротивление, для измерения больших токов (в амперметре) или напряжений (в вольтметре) его необходимо конструктивно дополнить.

Преобразование гальванометра в амперметр

Амперметр измеряет силу тока и включается в цепь последовательно. Чтобы не вносить существенных изменений в режим работы цепи, его собственное сопротивление должно быть очень малым. Гальванометр же рассчитан на очень малый ток полного отклонения стрелки (обозначим его $I_g$) и обладает собственным внутренним сопротивлением ($R_g$).

Чтобы измерять токи $I$, значительно превышающие $I_g$, основную часть тока ($I_{ш}$) необходимо пустить в обход гальванометра. Для этого к гальванометру параллельно подключают резистор с очень малым сопротивлением, называемый шунтом ($R_{ш}$).

Ток в цепи разветвляется: через гальванометр течет ток $I_g$, а через шунт — ток $I_{ш} = I - I_g$. Так как гальванометр и шунт соединены параллельно, падение напряжения на них одинаково: $I_g \cdot R_g = I_{ш} \cdot R_{ш}$. Отсюда можно рассчитать необходимое сопротивление шунта для измерения максимального тока $I$:

$R_{ш} = \frac{I_g \cdot R_g}{I - I_g}$

Изменение шкалы: Исходная шкала гальванометра проградуирована в единицах малого тока (например, микроамперах). При превращении в амперметр шкалу необходимо переградуировать. Теперь максимальному отклонению стрелки (когда через рамку течет ток $I_g$) будет соответствовать максимальное измеряемое значение тока $I$. Шкала останется равномерной, но ее цена деления значительно увеличится.

Ответ: Для преобразования гальванометра в амперметр необходимо параллельно ему подключить резистор с очень малым сопротивлением (шунт). Шкалу прибора нужно переградуировать: максимальному отклонению стрелки будет соответствовать новое, большее значение силы тока, а цена деления шкалы увеличится.

Преобразование гальванометра в вольтметр

Вольтметр измеряет разность потенциалов (напряжение) и подключается к участку цепи параллельно. Чтобы не влиять на измеряемую цепь (не отбирать значительный ток), его собственное сопротивление должно быть очень большим.

Для преобразования гальванометра в вольтметр его общее сопротивление нужно значительно увеличить. Это достигается путем подключения последовательно с гальванометром резистора с очень большим сопротивлением, который называют добавочным сопротивлением ($R_д$).

Пусть необходимо измерить максимальное напряжение $U$. Это напряжение прикладывается ко всей цепи вольтметра, состоящей из гальванометра и добавочного сопротивления. Чтобы стрелка отклонилась на всю шкалу, через эту цепь должен протекать ток, равный току полного отклонения $I_g$. По закону Ома для этой цепи:

$I_g = \frac{U}{R_g + R_д}$

Отсюда можно найти необходимое добавочное сопротивление:

$R_д = \frac{U}{I_g} - R_g$

Изменение шкалы: Исходная шкала гальванометра проградуирована в единицах тока. Так как угол отклонения стрелки пропорционален току $I_g$, а ток, в свою очередь, пропорционален измеряемому напряжению $U$ (при постоянном сопротивлении вольтметра $R_В = R_g + R_д$), то угол отклонения стрелки будет прямо пропорционален напряжению. Шкалу необходимо переградуировать в единицах напряжения (вольтах). Максимальному отклонению стрелки (при токе $I_g$) будет соответствовать максимальное измеряемое напряжение $U$.

Ответ: Для преобразования гальванометра в вольтметр необходимо последовательно с ним подключить резистор с очень большим сопротивлением (добавочное сопротивление). Шкалу прибора нужно переградуировать в единицах напряжения (вольтах).