14-7 Galvanometer, voltmeter, ampérmeter

14-7 Galvanometer, voltmeter, ampérmeter

Silu, ktorú sme spoznali vyššie, vieme zúžitkovať vo viacerých prístrojoch. Galvanometer, ktorý už sám o sebe je dôležitý prístroj, tvorí aktívnu súčasť väčšiny voltmetrov a ampérmetrov. Existuje mnoho druhov galvanometrov – k meraniu veľmi malých prúdov a rozdielov potenciálu. Najčastejším typom medzi nimi je d'Arsonvalov, v ktorom je na ložisku ľahká cievka v silnom magnetickom poli (na obrázku 14.10 magnetu prístroja).

Smer magnetického poľa určuje smer strelky kompasu, presnejšie smerovanie jej severného pólu. Preto magnetické pole magnetu ukazuje vždy od jeho severného pólu k jeho južnému pólu – na obrázku 14.10 teda zľava doprava. Použitím pravidla pravej ruky vidíme, že na časť cievky medzi bodmi A a B pôsobí sila smerujúca k čitateľovi, smerom von z roviny kresby. Na časť medzi bodmi C a D však pôsobí opačná sila, do roviny kresby. Otáčavý moment týchto síl pootočí cievku okolo osi I − I, až kým malá pružina – ktorá na obrázku nakreslená nie je – otáčavý moment síl nevyváži. Otáčavý moment je úmerný veľkosti prúdu, ktorý tečie v cievke. Ak potečie väčší prúd, cievka sa pootočí o väčší uhol. Vo väčšine meracích prístrojov pripevnia k cievke ručičku. Vo veľmi citlivých galvanometroch však prilepia na os cievky namiesto ručičky malé zrkadlo, a namiesto ručičky používajú svetelný lúč odrazený od zrkadla. Sú aj také d'Arsonvalove galvanometre, ktoré sú schopné merať aj mimoriadne slabé prúdy, elektrický prúd veľkosti

10−10 A. (Existujú aj podstatne zložitejšie meracie prístroje, schopné merať prúd 10−17 A.)

Niekedy potrebujeme merať veľké prúdy. Na meranie väčších prúdov, alebo napätí však nie sú vhodné ani tie najmenej citlivé, najrobustnejšie galvanometre. Pokiaľ by sme prístroj navrhli na princípe ako citlivé galvanometre, cievka galvanometra by vstupovala do obvodu s významným odporom. Významne by zmenila prúd, ktorý v obvode tečie, a ktorý chceme merať. Na druhej strane, keby sme ho chceli použiť ako voltmeter, odpor galvanometra by ešte bol stále príliš malý Tiekla by ním významná časť prúdu. Napäťový spád IR na meranej časti by sa významne zmenil, a tým aj napätie, ktoré sme chceli zmerať.

Spomínané ťažkosti sa dajú preklenúť kombinovaním relatívne citlivých galvanometrov a vhodne zvolených odporov. Na obrázku 14.11a sme zapojili s galvanometrom do série veľký odpor. Predpokladajme, že odpor cievky galvanometra je 50 Ω a prúd veľkosti 0,01 ampéra vychýli ručičku prístroja až do krajnej polohy. Rezistor s akým veľkým odporom musíme zapojiť do série s galvanometrom, ak ho chceme použiť ako voltmeter na meranie do 10 V? Čo tým máme na mysli? Ak na póloch prístroja bude napätie 10 V, cievkou musí tiecť prúd 0,01 A, aby sa ručička vychýlila maximálne. Ohmov zákon vyžaduje, aby celý odpor prístroja bol

R = V I = 10 V 0,01 A = 1000 Ω.

Nakoľko odpor galvanometra je len 50 Ω, do série s ním musíme zapojiť rezistor s odporom veľkosti 950 Ω. To je tzv. predradný rezistor.

Pokiaľ však chceme s galvanometrom merať prúd veľkosti 5 ampérov, tj. aby sa ručička vychýlila do krajnej polohy pri prúde 5 A, musíme ku galvanometru pripojiť paralelne rezistor s malým odporom, tzv. bočník (obrázok 14.11b). Z celkových 5 ampérov smie cievkou galvanometra tiecť len prúd 0,01 A, zvyšok, tj. 4,99 A musí tiecť bočníkom. Ak k dvom bodom pripojíme dva drôty súčasne, rozdiel potenciálu (spád napätia IR) medzi týmito bodmi bude pre oba drôty rovnaký, preto môžeme napísať

IbočníkRbočník = IgRg,

(kde index bočník značí údaje bočníka a g galvanometra). Číselne

(4,99 A)Rbočník = (0,01 A)(50 Ω) Rbočník = 0,1002 Ω.