ГЛАВА ТРЕТЬЯ
МЕРА И ЧИСЛО
3-1. Общие сведения
Проводка от осветительной лампочки всегда приведет к счетчику. В распределительных пунктах, на центральных электростанциях, в исследовательских лабораториях, на заводах — всюду в электрические провода включены измерительные приборы.
В одних приборах из окошечек глядят ряды цифр на подвижных колесах. В других — за прозрачными крышками качаются стрелки. У одних стрелки широкие, как у башенных часов. Это грубые технические приборы. Для них достаточна точность показаний в 2 и даже 5%. Шкалы технических приборов — с жирными делениями, чтобы издали сразу заметить показания. У других приборов стрелки узкие, как ножи, поставленные на ребро. Ножевые стрелки отражаются в зеркальных шкалах, на которых деления нанесены тонкими паутинными линиями. Это точные лабораторные приборы. Над ними склоняются исследователи, ловя совпадение стрелки с ее зеркальным отражением, чтобы возможно точнее произвести отсчет.
Есть приборы совсем крохотные, а указательная стрелка у них — длиной в несколько метров. Но это не металлическая стрелка, а луч — световой зайчик, бросаемый зеркальцем на шкалу прибора.
В настоящее время ни производство, ни исследования немыслимы без электрических измерений. Миллионы электроизмерительных приборов служат в промышленности и в быту.
3-2. От электронов к стрелке
Электромагнитные процессы связаны с движением волн и заряженных частиц. Задача измерительного прибора — превратить эти явления в механическое перемещение указательного органа прибора.
Рис. 3-1. Электрический указатель Ломоносова и Рихмана — первый в мире электроизмерительный прибор.
Наиболее просто может быть построен измерительный прибор, который отмечает накапливание электрических зарядов. Впервые такой измеритель был построен Ломоносовым и Рихманом 200 лет тому назад для проведения опытов с атмосферным электричеством. К железному пруту привязывалась тонкая льняная нить (рис. 3-1). Когда прут получал электрический заряд, нить также заряжалась и отталкивалась от прута. По углу отклонения этой нити и судили о степени Электризации прута, или, как теперь бы выразились более точно, о количестве электрических зарядов, накопленных на нем, о потенциале прута.
Впоследствии этот прибор совершенствовался многими исследователями. Довольно законченную форму ему придал Вольта. Внутри стеклянной банки на металлическом пруте крепились два легчайших листочка (рис. 3-2). В самых чувствительных приборах их делали из сусального золота. Когда выходящий из банки конец прута соединялся с наэлектризованным телом, листочки расходились. Этот прибор получил название электроскопа — «наблюдателя электричества». Для облегчения отсчета придумали проектировать листочки на экран с делениями и судить о величине заряда по положению листочков на экране.
Рис. 3-2. Электроскоп Вольта с листочками из сусального золота. Концы листочков загнуты, чтобы отчетливее был виден угол их расхождения.
3-3. Электростатические измерительные приборы
Рис. 3-3. Современный электростатический вольтметр на рабочее напряжение 50 000 в.
Такое название получили прямые потомки ломоносовских измерителей электричества.
И в современных измерителях отклонение получается за счет отталкивания и притяжения заряженных тел.
При высоких напряжениях силы электростатического притяжения и отталкивания довольно велики, и поэтому можно передать движение с подвижных листков на обычную стрелку.
Достоинство электростатических приборов в том, что они чрезвычайно экономичны. Они потребляют очень небольшую мощность для своих показаний. Но у них есть много недостатков. Сила притяжения между двумя разнозаряженными телами пропорциональна квадрату напряжения. При низких напряжениях эта сила мала, а с увеличением напряжения быстро возрастает. У электростатических приборов трудно получить равномерную шкалу. В начале шкалы у них деления теснятся, они очень мелкие, сжатые, а дальше деления становятся чересчур растянутыми.
Неподвижным электродом является металлическая банка В. К ней притягивается подвижной электрод А, который поворачивает указательную стрелку. Электрод А, указательная стрелка и шкала электрически соединены между собой и укреплены на высоковольтном проходном изоляторе. Высокое напряжение подводится к зажиму на верхушке шкалы.
Электростатические приборы одинаково пригодны и для постоянного, и для переменного тока. При изменении знака напряжения между их обкладками сила притяжения своего знака не меняет. На переменном токе статические приборы показывают среднее квадратичное — действующее значение напряжения.
Рис. 3-4. Электростатической вольтметр многокамерного типа для измерения напряжений до нескольких сотен вольт.
Подвижная часть показана выдвинутой вправо из неподвижных секторов В.
В настоящее время статические приборы строятся на самые различные напряжения. Чаще всего статические приборы применяются для напряжений в несколько киловольт (рис. 3-3). Однако есть и такие статические приборы, что отмечают доли вольта, — это электрометры. У них подвижная часть выполнена в виде тончайшей нити — платиновой, а иногда кварцевой посеребренной. За отклонением этой нити следят в микроскоп.
Для напряжений в несколько сотен вольт применяются статические приборы, напоминающие несколько своей конструкцией конденсаторы переменной емкости (рис. 3-4). В них имеется набор подвижных пластин, подвешенных на тонкой нити и входящих внутрь неподвижных пластин.
На высокие напряжения в сотни тысяч вольт статические приборы выполняются в виде двух шаров. В одном из них участок стенки, обращенный к другому шару, делается подвижным, и от этой обкладки рычажная передача идет к указательной стрелке. Шары крепятся на хороших изоляторах на раздвижном штативе. Меняя расстояние между шарами, можно менять чувствительность вольтметра.
Для исследований, связанных с атомным ядром, применяют электростатические генераторы на напряжение в несколько миллионов вольт. Это напряжение получается на электроде с большим радиусом закругления.
На макушку этого электрода накладывается тонкий металлический колпачок. При отсутствии напряжения на электроде силы тяжести и трения удерживают колпачок на его месте. Когда же электрод заряжается, то электрические силы отталкивают колпачок от электрода, приподымают его. Колпачок скользит по электроду и падает. Ставя колпачки разного веса, можно определять, до какого напряжения заряжается электрод.
Когда к статическому вольтметру прикладывают напряжение высокой частоты, то через емкость между обкладками вольтметра начинает идти ток. Этот ток может разогреть тонкую нить, на которой подвешена подвижная часть вольтметра, и даже сжечь ее. Для токов с частотой выше 100 кГц обычные конструкции статических вольтметров не годятся.
3-4. Измерители тока
Приборы для измерения движения зарядов были построены лишь три четверти века спустя после приборов для измерения накопления зарядов.
В 1820 г. Эрстедт открыл действие электрического тока на магнитную стрелку (рис. 3-5 и 3-6). И собственно этим он построил и первый амперметр. Для повышения чувствительности прибора стали помещать магнитную стрелку внутрь катушки, состоящей из большого числа витков проволоки. Эти приборы стали называться мультипликаторами (умножителями) (рис. 3-7)—отклонение стрелки увеличивалось прямо пропорционально числу витков. Весьма совершенные конструкции таких измерителей тока строили русские академики Ленц и Якоби.
И в настоящее время в технике применяются измерительные приборы, конструкция которых очень близко напоминает первые сооружения Эрстедта и Якоби.
Таковы, например, указатели обратных зажиганий в ртутных выпрямителях. В анодных цепях этих приборов ток должен проходить только в одну сторону. Когда ток проходит в обратную сторону (обратное зажигание) — это авария, выключается вся установка.
Рис. 3-6. Отклонение магнитной стрелки под действием тока.
Рис. 3-5. Эрстедт демонстрирует действие провода с током на магнитную стрелку.
Чтобы определить, в каком именно аноде это обратное зажигание произошло, около цепи каждого анода помещается маленькая магнитная стрелка. Нормально она повернута в одну определённую сторону. При обратном прохождении тока она перемагнитится и изменит свое положение.
Рис. 3-7. Мультипликатор — первый прибор для измерения токов.
3-5. Рамки между полюсами
Провод с током отклоняет магнитную стрелку. Но можно магнит закрепить, а дать возможность отклоняться самому проводнику. По углу отклонения можно судить о силе тока. Можно производить измерения силы тока и вовсе без постоянного магнита: расположить рядом два проводника или две катушки, пропустить по ним измеряемые токи и по величине отталкивания или притяжения между катушками мерить силу токов.
Множество комбинаций проводников и магнитов пробовали применять электрики для измерения токов. На разные лады использовали они электромагнитные силы. Все конструкции рассматривать не к чему, но одну надо выделить особо.
Многолетний опыт показал, что очень хорош измерительный прибор, у которого маленькая рамка из тонкой медной проволоки помещается между полюсами сильного магнита (рис. 3-8). Когда по рамке проходит ток, она поворачивается, и чем сильнее ток, тем больше угол отклонения. Эти рамочные приборы, или, как их теперь принято называть, магнитоэлектрические приборы чувствительны, точны и недороги.
К рамке магнитоэлектрического прибора приделаны хорошо закаленные и заостренные стальные оси. Они опираются на подпятники из искусственного рубина или сапфира. Трение в этих подпятниках невелико, и достаточно малой силы, чтобы повернуть рамку и связанную с ней стрелку. Две бронзовые пружинки подводят к рамке ток. Эти же пружинки создают усилие, противодействующее повороту рамки током. Один конец пружинки закреплен на рамке, другой—на поворотном винте на корпусе прибора. Этим винтом можно регулировать натяжение пружинки и таким образом устанавливать стрелку прибора точно на нуль.
Сейчас, когда научились делать маленькие постоянные магниты с большой запасенной энергией, магнит помещают внутри рамки. Прибор стал легче и компактнее.
Чаще всего эти приборы предназначаются для визуального наблюдения, т. е., попросту говоря, для того, чтобы взглянуть на их шкалу и прочесть показание. Но их можно приспособить и для автоматической записи, и для автоматического управления. Можно заставить прибор сигнализировать, когда измеряемая величина превзойдет заданный предел. Стрелка способна развить только малое усилие, а чтобы превратить его в мощный сигнал, нужны вспомогательные приспособления.
К примеру, сажают на стрелку непрозрачный флажок. При определенном отклонении стрелки флажок прерывает луч света и заставляет сработать фотореле. А то делают на стрелке флажок из медной фольги. Он входит между двумя катушками, укрепленными на кожухе прибора. Одна катушка питается от высокочастотного генератора и наводит высокочастотное напряжение в другой. Но когда между катушками входит медный флажок, то он преграждает путь быстропеременному магнитному потоку, и передача высокочастотной энергии от одной катушки к другой прекращается.
Существует еще и такой способ управлять большим током при малой мощности подвижной системы. На стрелке крепится железный лепесток, а на шкале прибора в требуемом месте ставится сильный магнит. Как только лепесток подойдет на достаточно близкое расстояние к магниту, тот его подхватит, подтянет к себе и замкнет контакты сигнальной цепи. Усилие для нажатия контактов создает не рамка прибора, а этот магнит. Поэтому с таким вспомогательным магнитом даже маломощный прибор может управлять довольно значительными токами.
3-6. Амперметром измеряют вольты
Чтобы измерить давление воды в водопроводе, применяют манометр: упругая трубка под влиянием давления разгибается и поворачивает связанную с ней указательную стрелку. Электрической аналогией манометра может служить электростатический прибор. Электрическое напряжение, подобно давлению воды, заставляет перемещаться подвижную систему.
И манометр, и электростатический вольтметр характерны тем, что они не потребляют мощности из той цепи, в которой производятся измерения.
Для измерения количества воды, протекающей по трубе, пользуются водомерами. Это может быть вертушка, которую крутит водяной поток. Существуют водомеры в виде крыла, отклоняемого водой. Применяют также сужения в водяной трубе, манометром измеряют перепад давлений по обе стороны сужения и по этому перепаду (динамическому напору) судят о количестве проходящей воды. Водомер можно сравнить с амперметром — и тот и другой измеряют величину потока (один — водяного, другой — электрического).
Рис. 3-9. Схема включения вольтметра с добавочным сопротивлением.
Характерно то, что эти измерения связаны с потреблением энергии от измеряемой цепи. И водомер, и амперметр тормозят тот поток, который проходит через них. Это торможение может быть крайне незначительным, но оно никогда не будет равно нулю. В этом коренное отличие измерителей потока — динамических измерителей от измерителей давления — статических измерителей, которые энергии не отбирают.
Если бы кто-либо предложил для измерения давления в водопроводе сделать в нем отверстие и по силе водяной струи судить о давлении, то это показалось бы по меньшей мере странным. Но в электрических цепях поступают именно таким странным образом. Делают утечку в цепи — боковое ответвление — и по силе тока в этом ответвлении судят о напряжении в цепи.
Для воды можно просто построить манометр и на очень большое, и на очень малое давление. Для электрического же напряжения электростатические измерительные приборы, которые одни только непосредственно измеряют напряжение, удобно строить только на высокие напряжения не меньше нескольких сотен вольт. При небольших напряжениях электрические силы притяжения и отталкивания настолько малы, что построить технический прибор со стрелкой не представляется возможным. Для измерения таких напряжений пришлось практически избрать другой путь. Берут измеритель тока, возможно более чувствительный, и включают последовательно с ним большое сопротивление R. Этот прибор включают в цепь, в которой требуется измерить напряжение (рис. 3-9). О величине этого напряжения судят по силе тока, который течет через измерительный прибор. Так как ток этот равен U/R, a R известно и постоянно, то шкалу прибора можно градуировать в вольтах, и прибор называют вольтметром, хотя действие его совсем иное, чем действие вольтметра электростатического.
Магнитоэлектрический вольтметр потребляет мощность из той цепи, в которой производятся измерения. Если эта цепь маломощна, то присоединение прибора может нарушить весь ее режим. Обычным магнитоэлектрическим прибором нельзя точно замерить напряжение в цепях электронных ламп в радиоприемнике. Подключение прибора «посадит» напряжение, исказит весь режим работы.
