Điện kế cuộn dây chuyển động là gì?
Điện kế cuộn dây chuyển động là một dụng cụ được sử dụng để đo dòng điện . Nó là một thiết bị điện từ nhạy cảm có thể đo dòng điện thấp, thậm chí chỉ bằng một vài microampe.
Điện kế cuộn dây chuyển động chủ yếu được chia thành hai loại:
- Điện kế cuộn dây treo
- Cuộn dây xoay vòng hoặc điện kế Weston
Nguyên lý điện kế cuộn dây chuyển động
Cuộn dây mang dòng điện khi đặt trong từ trường ngoài thì gặp mômen từ. Góc mà cuộn dây bị lệch do tác dụng của mômen từ tỉ lệ thuận với độ lớn dòng điện trong cuộn dây.
Sơ đồ và cấu tạo cuộn dây điện kế di chuyển
Điện kế cuộn dây chuyển động được tạo thành từ một cuộn dây hình chữ nhật có nhiều vòng và nó thường được làm bằng dây đồng mỏng hoặc cách điện mỏng được quấn trên khung kim loại. Cuộn dây tự do quay quanh một trục cố định. Một dải phốt pho-đồng được nối với đầu xoắn có thể di chuyển được dùng để treo cuộn dây trong từ trường xuyên tâm đều.
Các đặc tính cơ bản của vật liệu được sử dụng để treo cuộn dây là độ dẫn điện và giá trị thấp của hằng số xoắn. Một lõi sắt mềm hình trụ được đặt đối xứng bên trong cuộn dây để cải thiện cường độ của từ trường và làm cho từ trường hướng tâm. Phần dưới của cuộn dây được gắn với một lò xo bằng đồng phốt-pho có số vòng nhỏ. Đầu kia của lò xo được kết nối với các vít liên kết.
Lò xo được sử dụng để tạo ra mômen ngược cân bằng với mômen từ và do đó giúp tạo ra độ lệch góc ổn định. Một gương phẳng được gắn vào dây treo, cùng với đèn và thang chia độ, được dùng để đo độ lệch của cuộn dây. Điểm 0 của thang đo nằm ở tâm.
Hoạt động của điện kế cuộn dây chuyển động
Cho dòng điện I chạy qua cuộn dây hình chữ nhật gồm n số vòng và diện tích tiết diện A. Khi đặt cuộn dây này trong từ trường hướng tâm đều B thì cuộn dây chịu mômen τ.
Trước tiên, chúng ta hãy xem xét một lượt duy nhất ABCD của cuộn dây hình chữ nhật có chiều dài l và chiều rộng b . Vật này được treo trong từ trường có cường độ B sao cho mặt phẳng của cuộn dây song song với từ trường. Vì các cạnh AB và DC song song với phương của từ trường nên chúng không chịu tác dụng của lực tác dụng nào do từ trường gây ra . Các cạnh AD và BC vuông góc với phương của trường một lực tác dụng F cho bởi F = BI l
Sử dụng quy tắc bàn tay trái của Fleming, chúng ta có thể xác định rằng các lực trên AD và BC ngược hướng với nhau. Khi lực F bằng nhau và ngược chiều nhau tác dụng lên cuộn dây thì nó sinh ra mômen lực. Mômen này làm cho cuộn dây bị lệch.
Ta biết rằng ngẫu lực τ = lực x khoảng cách vuông góc giữa các lực
τ = F × b
Thay thế giá trị của F mà chúng ta đã biết,
Momen lực τ tác dụng lên mạch một vòng ABCD của cuộn dây = BI l × b
Trong đó l x b là diện tích A của cuộn dây,
Do đó mômen tác dụng lên n vòng của cuộn dây được cho bởi
τ = nIAB
Do đó, mômen từ được tạo ra làm cho cuộn dây quay, và dải đồng phosphor xoắn lại. Đến lượt mình, lò xo S gắn với cuộn dây tạo ra mômen ngược hoặc mômen phục hồi kθ làm lệch góc ổn định.
Ở điều kiện cân bằng:
kθ = nIAB
Ở đây k được gọi là hằng số xoắn của lò xo (phục hồi vài lần trên một đơn vị vòng xoắn). Độ võng hoặc độ xoắn θ được đo bằng giá trị được chỉ ra trên thang đo bằng một con trỏ được nối với dây treo.
θ = (nAB / k) Tôi
Do đó θ ∝ I
Đại lượng nAB / k là một hằng số đối với một điện kế đã cho. Do đó, người ta hiểu rằng độ lệch xảy ra của điện kế tỷ lệ thuận với dòng điện chạy qua nó.
Câu hỏi đã được giải quyết : Mục đích của việc đưa một lõi sắt mềm hình trụ vào bên trong điện kế cuộn dây chuyển động là gì?
Giải pháp: Lõi sắt mềm hình trụ đặt bên trong điện kế làm tăng cường độ từ trường, do đó cải thiện độ nhạy của dụng cụ. Nó cũng làm cho từ trường hướng tâm sao cho góc giữa mặt phẳng của cuộn dây và các đường sức từ luôn bằng không trong suốt quá trình quay của cuộn dây.
Độ nhạy của điện kế cuộn dây chuyển động
Định nghĩa chung về độ nhạy của điện kế cuộn dây chuyển động được đưa ra là tỷ số giữa sự thay đổi độ lệch của điện kế với sự thay đổi dòng điện trong cuộn dây.
S = dθ / dI
Độ nhạy của điện kế càng cao nếu thiết bị cho thấy độ lệch lớn hơn đối với giá trị dòng điện nhỏ. Độ nhạy có hai loại, đó là độ nhạy dòng điện và độ nhạy điện áp.
- Độ nhạy hiện tại
Độ lệch θ trên một đơn vị dòng điện I được gọi là độ nhạy dòng điện θ / I
θ / I = nAB / k
- Độ nhạy điện áp
Độ lệch θ trên một đơn vị điện áp được gọi là Độ nhạy điện áp θ / V. Chia cả hai vế cho V trong phương trình θ = (nAB / k) I;
θ / V = (nAB / V k) I = (nAB / k) (I / V) = (nAB / k) (1 / R)
R là viết tắt của điện trở hiệu dụng trong mạch.
Điều đáng chú ý là độ nhạy điện áp = Độ nhạy dòng điện / Điện trở của cuộn dây. Do đó, với điều kiện R không đổi; độ nhạy điện áp ∝ Độ nhạy dòng điện.
Hình bằng khen của một điện kế
Nó là tỷ số giữa dòng điện lệch toàn thang và số lượng vạch chia trên thang đo của thiết bị. Nó cũng là nghịch đảo của độ nhạy hiện tại của điện kế.
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy của điện kế
a) Số vòng dây của cuộn dây
b) Diện tích của cuộn dây
c) Cường độ từ trường B
d) Độ lớn của cặp trên một đơn vị xoắn k / nAB
Câu hỏi đã giải quyết : Tăng độ nhạy dòng điện dẫn đến tăng độ nhạy điện áp của điện kế cuộn dây chuyển động. Có hay không? Biện minh cho câu trả lời của bạn.
Giải pháp: Không. Sự gia tăng độ nhạy dòng điện của một điện kế cuộn dây chuyển động có thể không nhất thiết dẫn đến việc tăng độ nhạy điện áp. Khi số vòng (chiều dài của cuộn dây) được tăng lên để tăng độ nhạy dòng điện của thiết bị, thì điện trở của cuộn dây sẽ thay đổi. Điều này là do điện trở của cuộn dây phụ thuộc vào các yếu tố như chiều dài và diện tích của cuộn dây.
Như chúng ta biết rằng độ nhạy điện áp θ / V = (nAB / k) (1 / R); giá trị tổng thể của độ nhạy điện áp không thay đổi.
Các ứng dụng của điện kế
Điện kế cuộn dây chuyển động là một dụng cụ có độ nhạy cao do nó có thể được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của dòng điện trong bất kỳ mạch nhất định nào. Nếu điện kế được kết nối trong mạch cầu của Wheatstone, con trỏ trong điện kế hiển thị lệch rỗng, tức là không có dòng điện chạy qua thiết bị. Con trỏ lệch sang trái hoặc phải tùy thuộc vào chiều của dòng điện.
Điện kế có thể được sử dụng để đo:
a) giá trị của cường độ dòng điện trong đoạn mạch mắc song song với điện trở thấp.
b) hiệu điện thế mắc nối tiếp với điện trở lớn.
Chuyển đổi điện kế sang ampe kế
Một điện kế được biến đổi thành một ampe kế bằng cách mắc song song nó với một điện trở thấp gọi là điện trở shunt. Điện trở shunt thích hợp được chọn tùy thuộc vào phạm vi của ampe kế.
Trong mạch đã cho
R G – Điện trở của điện kế
G- Cuộn dây điện kế
I – Tổng dòng điện chạy qua mạch
I G – Tổng dòng điện chạy qua điện kế tương ứng với số đọc toàn thang
R s – Giá trị của điện trở shunt
Khi dòng điện I G đi qua điện kế, dòng điện qua điện trở shunt cho bởi I S = I – I G. Các điện áp trên điện kế và điện trở shunt bằng nhau do bản chất song song của mối liên hệ giữa chúng.
Do đó R G .I G = (I- I G ) .R s
Giá trị của S có thể nhận được bằng cách sử dụng phương trình trên.
Chuyển đổi điện kế sang vôn kế
Một điện kế được biến đổi thành vôn kế bằng cách mắc nối tiếp với điện trở lớn. Một điện trở cao thích hợp được chọn tùy thuộc vào dải của vôn kế.
Trong mạch đã cho
R G = Điện trở của điện kế
R = Giá trị của điện trở cao
G = Cuộn dây điện kế
I = Tổng dòng điện chạy qua mạch
I G = Tổng dòng điện chạy qua điện kế tương ứng với độ lệch toàn thang.
V = Điện áp rơi trên kết nối nối tiếp của điện kế và điện trở cao.
Khi dòng điện I G chạy qua tổ hợp nối tiếp của điện kế và điện trở R; điện áp rơi trên nhánh ab được cho bởi
V = R G .I G + RI G
Giá trị của R có thể nhận được bằng cách sử dụng phương trình trên.
Câu hỏi đã giải : Một điện kế cuộn dây chuyển động có điện trở 100Ω được dùng làm ampe kế có điện trở 0,1Ω. Dòng điện lệch cực đại trong điện kế là 100μA. Tìm cường độ dòng điện trong mạch để ampe kế chỉ lệch cực đại. (IIT-JEE | 2005)
Giải: Người ta cho rằng R G = 100Ω, R s = 0,1Ω, I G = 100μA
Chúng ta biết rằng R G .I G = (I- I G ) .R S
Do đó I = (R G .I G + I G .R s ) / R S
I = (1 + R G / R S ). Tôi G
Thay các giá trị đã cho, ta được I = 100,1mA
Câu hỏi đã giải : Một cuộn điện kế có điện trở 40Ω bị lệch toàn dải đối với dòng điện có cường độ 4mA. Làm thế nào để biến đổi điện kế này thành vôn kế có dải 0-12V?
Giải pháp:
Như chúng ta biết rằng V = I G (R G + R)
R = V / I G – R G
= (12 / (4 × 10 -3 )) – 40
R = 2960 Ω
Ưu điểm và nhược điểm của điện kế cuộn dây chuyển động
Thuận lợi
- Độ nhạy cao.
- Không dễ bị ảnh hưởng bởi từ trường lạc.
- Tỷ lệ mô-men xoắn trên trọng lượng cao.
- Độ chính xác và độ tin cậy cao.
Nhược điểm
- Nó chỉ có thể được sử dụng để đo dòng điện một chiều.
- Phát sinh lỗi do các yếu tố như lão hóa của thiết bị, nam châm vĩnh cửu và hư hỏng của lò xo do ứng suất cơ học.
Xem thêm:
Fomo là gì? Hội chứng nguy hiểm của xã hội hiện đại
Nhân hóa là gì? Cách áp dụng trong văn học
Cách xem cấu hình laptop nhanh nhất
