§ 2.7. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия приборов электродинамической системы основан на механическом взаимодействии двух катушек с токами. На рисунке 2-9 изображен измерительный механизм электродинамического прибора с воздушным успокоителем 3.

Неподвижная катушка 1 состоит из двух секций (для создания однородного поля) и навивается обычно толстой проволокой.

Легкая подвижная катушка 2 помещается внутри неподвижной и жестко скрепляется с осью и стрелкой. Подвижная катушка включается в измеряемую цепь через спиральные пружины, создающие противодействующий момент.

Если токи в катушках 1 и 2 принять равными соответственно

Рис. 2-9

, то их взаимодействие создаст вращающий момент стремящийся повернуть подвижную катушку так, чтобы энергия магнитного поля системы двух катушек стала наибольшей (до совпадения направлений полей). При этом поворот подвижной катушки произойдет за счет энергии магнитного поля катушек. Тогда вращающий момент действующий на подвижную катушку (§ 2.6), можно представить в следующем виде:

где — энергия магнитного поля катушек; а — угол поворота подвижной катушки.

Энергия магнитного поля системы двух катушек складывается из энергий катушек и энергии, обусловленной их взаимной индукцией

где — индуктивность катушек; — коэффициент их взаимной индукции.

После подстановки выражения (2.10) в (2.9) получим:

Так как и постоянны для данного прибора, то

Вообще говоря, и сильно зависит от формы катушек. Положив, простоты ради, получим:

Поворот подвижной системы будет происходить до наступления равновесия между вращающим и противодействующим моментами, создаваемыми спиральными пружинами:

где — жесткость пружины.

Окончательно имеем:

где — постоянная данного прибора.

Отсюда следует, что угол поворота подвижной системы электродинамического прибора в случае постоянных токов пропорционален произведению токов в его катушках.

В случае переменных токов, например мгновенный вращающий момент равен

а средний за период момент (после преобразований) равен

При получим:

Пригодность электродинамических приборов для переменных токов объясняется тем, что направления токов в обеих катушках изменяются на противоположные одновременно (или с постоянным сдвигом по фазе), а следовательно, направление поворота подвижной катушки остается неизменным. В зависимости от назначения прибора катушки в нем могут быть соединены либо последовательно — в вольтметре (рис. 2-10, а), либо параллельно — в амперметре (рис. 2-10, б), либо в разные цепи — в ваттметре (рис. 2-10, в). Из выражения вращающего момента (2.11) следует, что изменение направления тока в какой-либо одной из катушек приведет к изменению направления поворота подвижной системы на противоположное. У вольтметров и амперметров взаимное соединение концов обмоток сделано внутри прибора, а к зажимам прибора выведены только два конца, подключаемые в цепь (включение ваттметра будет рассмотрено ниже).

Шкалы электродинамических вольтметров и амперметров неравномерны, так как токи в обоих катушках пропорциональны одной и той же измеряемой величине: для вольтметра — ток в обоих катушках один и тот же, поэтому

Рис. 2-10

т. е. шкала неравномерная (квадратичная); для амперметра

где и сопротивления подвижной и неподвижной катушек. Откуда

но и , то

Точно так же и для

тогда

т. е. шкала также квадратичная. Однако на практике добиваются приблизительно равномерной шкалы в ее рабочей части подбором взаимного расположения катушек и их формы.

На показания электродинамических приборов могут влиять внешние магнитные поля, так как собственное поле катушек слабое. Для устранения этого влияния применяют астатические измерительные механизмы (см. рис. 2-4, б).

Приборы электродинамической системы изготовляют и применяют в основном как переносные лабораторные приборы классов точности 0,1; 0,2 и 0,5.

К достоинствам электродинамических приборов относятся: большая точность, позволяющая применить их в лабораторной практике как контрольные, и пригодность для измерения постоянных и переменных токов, а к недостаткам — неравномерная шкала; большая чувствительность к перегрузкам (из-за наличия токоведущих пружин); влияние внешних магнитных полей и высокая стоимость.