15.6. КАК ИЗМЕРИТЬ МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Для того чтобы измерить мощность, нужно измерить напряжение и ток и перемножить их:

Вспомним формулу силы взаимодействия тока и магнитного поля, которую мы использовали, когда изучали свойства магнитоэлектрических приборов:

Первая и вторая формулы похожи, обе содержат произведение двух величин (длина провода I — величина постоянная и представляет собой постоянный коэффициент).

Однако есть и различие — в первой формуле один из сомножителей напряжение, во второй — магнитная индукция.

В магнитоэлектрическом приборе магнитная индукция является постоянной величиной, магнитное поле создается постоянным магнитом. Значит, нужно переделать магнитоэлектрический прибор, заменить постоянный магнит намагничивающей катушкой. То, что получится в результате такой переделки, изображено на рис. 15.8,

Рис. 15.8. Электродинамический прибор: А — неподвижные катушки; Б — подвижная катушка

Полюсы постоянного магнита заменены двумя неподвижными намагничивающими катушками. В зазор между неподвижными катушками входит ось, на которой закреплена еще одна маленькая подвижная катушка. Ток в эту катушку поступает через две спиральные пружинки, так же как в магнитоэлектрическом приборе. Пружинки создают противодействующий момент. На той же оси установлена стрелка прибора.

Неподвижные катушки включены последовательно и создают магнитную индукцию, пропорциональную току:

Здесь k коэффициент пропорциональности, а — ток в неподвижных катушках.

Ток подвижной катушки взаимодействует с магнитным полем неподвижных катушек, и в результате возникает сила

Поскольку k и — постоянные величины, движущая сила прибора пропорциональна произведению токов.

Такие приборы называют электродинамическими.

До недавнего времени электродинамические устройства применяли для умножения двух величин, преобразованных в электрические токи. Сейчас эту операцию успешно выполняют электронные вычислительные машины. На долю электродинамических приборов осталось измерение мощности электрического тока. Для этого необходимо, чтобы ток в одной из катушек был пропорционален напряжению в электрической цепи, а в другой — току.

В качестве катушки напряжения принимают подвижную катушку прибора, в качестве катушки тока — неподвижную, ее наматывают из толстого провода, и она имеет большие размеры и массу. Включать катушки в цепь нужно по-разному: катушку напряжения — параллельно потребителю, как вольтметр, а катушку тока — последовательно, как амперметр. Схема включения ваттметра изображена на рис. 15.9, а. Две катушки электродинамического прибора имеют четыре зажима. Если изменить направление тока в любой катушке, направление силы изменится на противоположное. Стрелка будет отклоняться не вправо, а влево от нулевой отметки, прибор ничего не покажет. Чтобы исключить эту ошибку, зажимы прибора заранее размечают. Два зажима, направленные в сторону сети, называют генератор ными, на корпусе прибора около них ставится звездочка.

Рис. 15.9. Схема включения электродинамического ваттметра: а — схема включения обмоток тока и напряжения; б — условное изображение ваттметра

Эти звездочки Вы можете увидеть на рис. 15.9, а.

На рис. 15.9, б представлено условное изображение ваттметра на электрических схемах. Катушки изображаются двумя прямыми линиями, пересекающими круг. Отличаются они только толщиной линии. Катушка напряжения —1 тонкая линия, катушка тока — жирная.

Мы видим (рис. 15.9, а), что в цепь катушки напряжения включен резистор с сопротивлением Это необходимо, чтобы уменьшить ток в параллельной цепи прибора. В результате ток в подвижной катушке напряжения равен

где — сопротивление катушки напряжения.

Ток в неподвижной катушке равен току в цепи:

Используя эти значения, получаем

Сила, действующая на подвижную катушку прибора, прямо пропорциональна мощности. Это означает, что шкала электродинамического прибора равномерная.

Электродинамический ваттметр может работать в цепи постоянного и переменного тока, поскольку при изменении направления тока в обоих катушках направление силы не изменяется.

В том случае, когда ток и напряжение изменяются во времени, ваттметр измеряет среднее значение их произведения, т. е. среднюю мощность.

Отсутствие стали внутри катушек и, следовательно, потерь на вихревые токи и гистерезис позволяет изготовить очень точные приборы (класса точности 0,5 и 0,2) .

Очень важно, что эти приборы можно градуировать на постоянном токе, а потом использовать в цепях переменного тока. Проверочные (электрики говорят «поверочные») установки постоянного тока гораздо точнее, чем переменного.

С другой стороны, отсутствие стального сердечника приводит к тому, что собственное магнитное поле прибора получается слабым. Движущая сила тоже невелика, поэтому электродинамические приборы обладают малой чувствительностью. Они не могут измерять малую мощность в цепи.

Кроме того, на эти приборы оказывает значительное влияние внешнее магнитное поле.

Если соединим обе катушки прибора параллельно, мы получим электродинамический амперметр (рис. 15.10).

При этом ток в каждой катушке будет пропорционален измеряемому току:

и

Здесь сопротивления катушек прибора.

Рис. 15.10. Электродинамический амперметр

Подставляя токи катушек в формулу силы, получаем

Сила, воздействующая на подвижную катушку, пропорциональна квадрату измеряемого тока.

Электродинамический амперметр — очень точный прибор (хотя и не очень чувствительный). На постоянном токе применять его нет особой необходимости, поскольку существуют очень хорошие магнитоэлектрические приборы. Поэтому его используют в исследовательских лабораториях для измерений в цепях переменного тока. Плохо только, что шкала у него неравномерная (квадратичная).

Таким же точно образом можно изготовить электродинамический вольтметр, но тогда катушки следует включать последовательно.