9. Электродинамические и ферродинамические амперметры и вольтметры. Подобно тепловым и электромагнитным приборам, электродинамические приборы одинаково пригодны для измерений как постоянного, так и переменного тока. Принцип действия этих приборов основан на электродинамическом действии, то есть на взаимном действии двух токов друг на друга.
Относительно взаимодействия двух электрических токов существуют следующие правила (1):
Два проводника электрического тока взаимно притягиваются, когда они параллельны между собою и токи, протекающие по ним, направлены в одну и ту же сторону.
Два проводника электрического тока взаимно отталкиваются, когда они параллельны между собою, но при этом токи, протекающие по ним, направлены в прямо противоположные стороны.
Если два проводника, по которым протекают электрические токи, не параллельны между собою, но сходятся под каким-нибудь углом, следовательно пересекаются, то для таких пересекающихся проводников тока Ампер пришел к следующим двум положениям:
1) Два прямолинейных пересекающихся проводника электрического тока взаимно притягиваются, когда в них токи направлены к вершине или от вершины угла, образуемого их направлениями.
2) Два прямолинейных пересекающихся проводника электрического тока взаимно отталкиваются, когда в одном из них ток направлен к вершине, а в другом из них ток направлен от вершины угла, образуемого их направлениями.
Эти два положения относительно пересекающихся проводников тока могут быть формулированы следующим образом:
Два прямолинейных пересекающихся проводника электрического тока стремятся установиться параллельно друг другу, и притом так, что направления токов получаются одинаковые.
Взаимное действие двух токов друг на друга было в свое время использовано фирмой Сименс и Гальске при устройстве электродинамометра, который долгое время считался очень удобным прибором для измерений в цепях переменного тока.
В современных технических приборах, построенных на том же принципе, что электродинамометр Сименса, основной частью прибора (рис. 32) являются неподвижная катушка А и подвижная катушка В, на оси вращения которой укреплена указательная стрелка прибора.
Если прибор служит амперметром, то неподвижная обмотка выполняется из толстой проволоки и пропускает весь ток цепи, подвижная же обмотка представляет собою легкую катушку, выполненную из витков тонкой проволоки и присоединенную к шунту, почему по ней проходит лишь определенная часть измеряемого тока, как это можно видеть из рис. 33, на котором обозначают: А — неподвижная катушка, В — подвижная катушка, С — шунт, D — зажимы для присоединения прибора, R — безиндукционное сопротивление, которое часто вводится последовательно с катушкой В.
Если прибор служит вольтметром, то неподвижная обмотка выполняется также из тонкой проволоки, при чем все части прибора соединяются, как указано на рис. 34, на котором буквенные обозначения такие же, как и на предыдущем рисунке.
Шкала прибора, устроенного по типу рис. 32, не пропорциональна. Особой конструкцией и взаимным расположением подвижной и неподвижной катушек в настоящее время достигают пропорциональности шкалы, при чем деления последней в начале очень скученны и уже затем шкала становится равномерной. Приборы рассмотренного типа отличаются магнитобоязнью. Для изолирования от внешних магнитных влияний их необходимо заключать в железные кожухи. Для устранения периодичности в приборах применяются успокоители (воздушные). Особенностью приборов является то обстоятельство, что будучи проградуированы для постоянного тока, они без всяких поправок к шкале могут быть использованы и для измерений в переменных токах.
На показания приборов оказывает влияние окружающая температура. Этот фактор имеет особенное значение для амперметров с шунтом, так как с изменением температуры меняется соотношение сопротивлений шунта и шунтированной им тонкой катушки. Впрочем, фирме Сименс и Гальске удалось сконструировать бесшунтовый амперметр со шкалой до 200 ампер, в котором изменение величины сопротивлений различных токопроводящих частей прибора оказалось незначительным.
Показания амперметров, не снабженных шунтами, не зависят от частоты переменного тока, применяемой в технике сильных токов. С вольтметром, катушки которого обладают более значительной самоиндукцией, дело обстоит уже хуже. Впрочем и здесь, применяя последовательно с катушками достаточной величины безиндукционное сопротивление, можно достичь независимости показаний от перемены частоты. Для более высоких частот прибор уже будет менее пригоден.
О потреблении энергии в электродинамических приборах можно судить по следующим данным.
Пример. Электродинамический амперметр со шкалой на 5 ампер имеет сопротивление в 0,2 ома. При полном отклонении стрелки прибора потеря напряжения в нем составляет
Расход мощности при этом равен Р = 1.5 = 5 ваттам.
Пример. Электродинамический вольтметр со шкалою до 130 вольт имеет сопротивление 2200 омов. Расход тока в этом приборе при напряжении сети в 110 вольт определяется из формулы
и расход мощности p = E * i = 110 * 0,05 = 5,5 ватта.
На основании изложенного выше, можно указать следующие достоинства и недостатки электродинамических приборов:
достоинства — пропорциональность шкалы, пригодность для постоянного и переменного тока; апериодичность;
недостатки — магнитобоязнь, зависимость показаний от окружающей температуры, вследствие изменения сопротивления катушек; зависимость от частоты переменного тока, сравнительно высокая стоимость.
Разновидностью динамоэлектрических приборов являются динамические ферромагнитные приборы, у которых для создания катушками более сильных магнитных полей и, следовательно, для усиления действия неподвижной катушки на подвижную применено железо. На рис. 35 мы видим неподвижную катушку А, окруженную цилиндром С, изготовленным из листового железа и подвижную катушку В, снабженную сердечником, также изготовленным из листового железа (для уменьшения токов Фуко). Такие приборы уже не страдают магнитобоязнью, так как железный цилиндр С служит для них хорошим экраном.
Они, кроме того, солиднее, прочнее и менее подвержены механическим повреждениям. Отдельные детали такого прибора, выполненного фирмой Всеобщая Компания Электричества, показаны на рис. 36, а именно: 1 — стрелка-указатель, 2 — верхняя пружина, 3 — крыло успокоителя, 4 — крепительный винт, 5 — железный цилиндр, соответствующий цилиндру С рисунка 35, 6 — подвижная катушка, 7 — нижняя пружина, 8 — верхний подшипник, 9 — пластинка-рычажок для установки стрелки на нуль, 10 — камера, в которой движется крыло 3 успокоителя, 11 — изоляция, 12 — железный сердечник, 13 — неподвижная катушка, 14 — нижний подшипник.
1) См. A. Hоlzt. "Электрический ток, его законы и действия", глава V. Издание Московского Акционерного Издательского Общества.
