7. Электромагнитные амперметры и вольтметры. Группа электромагнитных приборов является наиболее распространенной. Принцип их действия, использованный впервые еще Ф. Кольраушем в 1884 году, основан на перемещении подвижной железной части под влиянием магнитного потока, создаваемого катушкой, по которой пропускается ток. Практическое осуществление этого принципа отличается разнообразием.
Так, в распространенных в свое время амперметрах Гуммеля подвижная часть прибора состоит из очень тонкой изогнутой пластинки Е мягкого железа (рис. 22), которая располагается эксцентрически внутри катушки А, так что ось пластинки параллельна оси соленоида. К этой пластинке прикреплена указательная стрелка Z, конец которой перемещается по дугообразной шкале. Общий центр тяжести повижной системы при нулевом положении указателя лежит под точкой вращения; таким образом подвижная система уравновешивается ее собственною тяжестью и в положении покоя указатель устанавливается против нулевого деления действием силы тяжести. Небольшой противовес (на рисунке не показанный) дает возможность привести точно указатель к нулевому делению, когда прибор установлен окончательно.
При пропускании тока через обмотку катушки А, пластинка Е приближается к виткам соленоида вследствие того, что всякое магнитное тело перемещается в том направлении, где напряжение магнитного поля наибольшее. Отсюда следует, что стрелка-указатель перемещается на такой угол, который соответствует взаимному равновесию этого последнего и силы тяжести подвижной системы. Для сильных токов обмотка изготовлялась из одного витка толстой проволоки, для более же слабых токов брали несколько витков более тонкой проволоки.
Вес пластинки очень мал, всего около 0,1 грамма; следовательно, сопротивления трения в подшипниках ничтожны. Чувствительность прибора увеличивается еще тем обстоятельством, что при своем действии ток стремится поднять пластинку, благодаря чему уменьшается давление на подпятник.
В приборах Сименса и Гальске (рис. 23) катушка S имеет плоскую форму и при прохождении по ней тока втягивает железный сердечник Е, имеющий форму пластинки. Противовесом в подвижной системе прибора служит изогнутый алюминиевый стерженек А, оканчивающийся поршнем D, который перемещается в изогнутой цилиндрической трубе, закрытой с одной стороны. Между поршнем и цилиндром имеется небольшой зазор. Когда поршень передвигается в ту или другую сторону, в нижней части цилиндра получается разрежение воздуха или, наоборот, повышенное давление, при чем в обоих случаях поршень испытывает тормозящее действие. Воздушные тормаза той или другой конструкции применяются в измерительных приборах весьма часто и служат успокоителями. Благодаря им, стрелка без особых колебаний устанавливается на соответствующем делении.
Другая конструкция прибора представлена на рис. 24. Здесь в катушку а втягивается тонкий, легко подвижный железный стерженек е, жестко связанный с указательной стрелкой f. Когда в катушке нет тока, стрелка прибора стоит на нуле. Если она все же имеет небольшое отклонение от нуля, то, перемещая гайки на противовесах d, можно возвратить ее на нулевое положение. При прохождении по катушке тока стерженек е втягивается и стрелка f перемещается по шкале. Чем больше сила тока, тем глубже погружается в катушку стерженек и тем больше отклонение прибора стрелки.
Не больше, как вариант изображенных на рис. 23 и 24 приборов, можно считать прибор, представленный на рис. 25, где мы видим: 1 — серпообразный плоский железный стержень, втягиваемый в катушку; 2 — указательную стрелку; 3 — противовес с регулирующим грузиком — гайкой; 4 — ось вращения всей подвижной системы; 5 — катушку.
В приборе, представленном на рис. 26, железный стержень 1 под действием магнитного потока, создаваемого током в катушке, поворачивается и стремится занять положение по оси катушки Sp. В приборе, изображенном на рис. 27, внутри катушки Sp помещены неподвижная железная часть 1 и связанная с указанной стрелкой 3 подвижная пластинка 2. Под действием тока в катушке оба железных сердечника намагничиваются одинаково, почему между ними, как между магнитами, возникает отталкивательная сила, которая и используется для перемещения стрелки. Подобным же образом устроен и прибор (A.E.G.), представленный на фиг. 28, у которого: S — катушка, В — неподвижная железная часть, А — подвижная железная часть, F — пружинка, регулирующая перемещение стрелки и возвращающая ее в нулевое положение при выключении прибора.
Приборы рассмотренных конструкций могут быть амперметрами или вольтметрами, смотря по тому, какая обмотка на их катушке. В амперметрах мы будем иметь катушку, обмотанную небольшим количеством витков проволоки, сечение которой определяется предельной силой тока для данного прибора. В вольтметре на катушку будет намотана тонкая проволока. Витков этой проволоки будет много. Поэтому, хотя по вольтметру, в виду его значительного сопротивления, и пойдет ток незначительной силы, но втягивающее усилие, зависящее от ампер-витков, будет значительным. Отсюда простое правило для переделки амперметра на вольтметр или обратно, амперметра одной силы тока на другую силу тока или вольтметра одного напряжения на другое напряжение — производить расчет по ампер-виткам. Так, если амперметр имеет шкалу на 300 ампер и n1 витков на катушке, то для переделки его на 50 ампер, необходимо, для того, чтобы прибор при 50 амперах давал полное отклонение на шкале прибора, сохранить 300 * n1 ампер-витков. Отсюда для 50 ампер новое количество витков должно быть равным
Если мы желаем из вольтметра сделать амперметр, то зная, что сопротивление прибора R омов, можем подсчитать, по закону Ома, силу тока i1, которая идет через вольтметр при его работе. Размотав затем катушку, считая при этом ее витки n1, мы получим, что полное число ампер-витков, необходимое для полного отклонения прибора будет i1 n1. Поэтому, если нам нужно, чтобы прибор служил, как амперметр с предельной шкалой на 25 ампер, то на катушку следует намотать
витков соответствующего диаметра проволоки.
При переделке вольтметра на вольтметр же, только для другого предельного напряжения, нужно учитывать, есть ли у прибора добавочное сопротивление. Во многих случаях проще всего переделку прибора свести к увеличению или уменьшению этого добавочного сопротивления.
Следует при переделках также иметь в виду, что число ампер-витков, возможно, придется слегка изменить, но, во всяком случае, уменьшить или прибавить один виток, а иногда полвитка или даже треть витка гораздо проще, чем с самого начала работать вслепую.
Как и в тепловых измерительных приборах, шкала электромагнитных приборов не пропорциональна и может быть представлена нижней шкалой рис. 18. Поэтому к электромагнитным приборам можно отнести все сказанное раньше относительно шкалы тепловых приборов.
Для действия магнитного потока безразлично, какого он направления в катушке. Между тем на старинных электромагнитных приборах часто на зажимах можно видеть знаки плюс и минус, при чем с этими знаками добросовестно считаются при включении приборов. Знаки эти не нужны и с ними можно не считаться. Равным образом, наличие этих знаков вводит в заблуждение и в том смысле, что считают данные приборы пригодными лишь для постоянных токов. Нужно иметь в виду, что как постоянный, так и равным образом переменный ток могут совершенно одинаково создать в катушке действующий магнитный поток. Поэтому приборы могут считаться одинаково пригодными как для постоянного, так и для переменного тока. Правда, часто в приборах шкала постоянного тока не совсем совпадает со шкалой переменного тока (в последнем случае покажет на 1—2% меньше). В таком случае на шкалу можно нанести две шкалы. Применяя особенные сорта железа для частей прибора, втягиваемых в катушку, можно достичь такой незначительной разницы в обеих шкалах, что ею можно пренебречь и один и тот же прибор с одной шкалой с успехом применять для не особенно точных измерений в постоянном и переменном токе. Как на пример, когда такой случай может иметь место, укажем на установку, питающуюся попеременно от постоянного и переменного тока и имеющую по одному электромагнитному амперметру и вольтметру.
На показания прибора влияют, в случае переменного тока, число периодов и форма кривой переменного тока. Так, например, если прибор сконструирован как вольтметр на 15 периодов, то при включении его в сеть, число периодов которой составляет 50, вследствие увеличения кажущегося сопротивления прибора по нему пойдет ток несколько меньшей силы, и прибор будет показывать несколько преуменьшенную величину напряжения. Для амперметра это обстоятельство уже не играет такой роли.
Электромагнитные приборы не чужды и влияния посторонних магнитных полей. Поэтому близ находящийся провод, нагруженный током значительной силы, может оказать на прибор свое влияние. Последнее парализуют тем, что прибор заключают в железный футляр, который и служит для него магнитным экраном.
Электромагнитные приборы очень выносливы и допускают значительные перегрузки. Это ценное их свойство, на ряду с их сравнительной дешевизной и простотой конструкции, служит причиной их большой распространенности. К их перечисленным уже недостаткам (непропорциональность шкалы и магнитобоязнь, то есть зависимость показаний от влияния посторонних магнитных полей) можно прибавить еще один — это разницу в показаниях при наростающем и убывающем в приборе тока, доходящую в отдельных случаях даже до 4%. Так, например, амперметр на 100 ампер, может показать только 96 ампер при фактической 100-амперной нагрузке или 10 ампер при нагрузке в 9,6 ампера. Конечно, для случаев обыденной практики такая разница может и не играть роли, но при точном учете расходуемого тока с нею уже приходится считаться.
