Ampermetar

Ampermetar je mjerni instrument namijenjen mjerenju jakosti električne struje u električkim krugovima. Kako se jakost električne struje mjeri u amperima (A), mjerni instrument je najprirodnije bilo nazvati ampermetrom. Na sličan način mjerne instrumente koji mjere manje jakosti struje nazivamo miliampermetrima, odn. mikroampermetrima. Najstarije izvedbe ampermetara koristile su u svom radu magnetsko polje Zemlje, no već u drugoj polovici 19. stoljeća konstruirane su poboljšane izvedbe ampermetara koje su se mogle ugraditi u bilo kojem položaju i koje su bile dovoljno točne i pouzdane za svestranu upotrebu.

Elektrotehnika

Elektricitet • Magnetizam Elektroenergetika Elektrana • Električna žarulja • Električni generator • Elektroenergetski sustav • Solarna fotonaponska energija • Trofazna struja • Vjetroelektrana • Zaštita od strujnog udara Elektronika Dinamički električni otpor • Dioda • Električni signal • Elektronska cijev • Operacijsko pojačalo • Pojačalo • Pojačanje • Strujni aktivni električni izvor • Tranzistor Elektroakustika Digitalizacija • Linearna izobličenja • Mikrofon • Niskofrekventno pojačalo snage • Niskofrekventno pretpojačalo • Snimanje zvuka • Zvučnik Električne mreže i četveropoli Električne mreže • Električni filtri • Metoda superpozicije • Nortonov poučak • Théveninov poučak Radiokomunikacije Amplitudna modulacija • Antena • Efektivna izračena snaga • Fazna modulacija • Frekvencijska modulacija • Radio-valovi Telekomunikacije  •  •  • Naučnici i izumitelji Ampère • Coulomb • Faraday • Gauss • Heaviside • Henry • Hertz • Lorentz • Maxwell • Tesla • Volta • Weber • Ørsted

Povijest

Povezanost između električne struje, magnetskog polja i mehaničkih sila prvi puta je opazio Hans Christian Ørsted koji je 1820. godine promatrao otklon igle kompasa u blizini električnog vodiča protjecanog električnom strujom. Prvi galvanometri mjerili su jakost i smjer električne struje oslanjajući se na jakost magnetskog polja Zemlje. Međutim, takvi su električni instrumenti za mjerenje mogli služiti svojoj svrsi samo ako su bili pravilno usmjereni u odnosu na smjer magnetskog polja Zemlje. Osjetljivost instrumenata bila je povećana dodavanjem većeg broja zavoja kroz koje je protjecala električna struja.

Izvedbe

Galvanometar s pomičnim magnetom

Galvanometar s pomičnim magnetom izumljen je 1820. godine na temelju istraživanja Hansa Oersteda koji zapazio da se pri zatvaranju strujnog kruga formira magnetno polje koje djeluje na magnetnu iglu kompasa. Galvanometar s pomičnim magnetom je 1820. godine izumio Johann Schweigger. Ovaj galvanometar se danas vrlo malo koristi, a sastoji se od običnog kompasa preko koga je namotan određen broj namotaja izolirane žice kroz koje se propušta struja. Namatanje se vrši u pravcu oznaka sjevera i juga. Prije mjerenja se namotaji usmjere u pravcu sjever-jug kako bi magnetno polje Zemlje usmjerilo iglu kompasa, a magnetno polje zavojnice bilo okomito na njega. U ovisnosti o jačini struje igla kompasa se otklanja od pravca sjever-jug.

Ampermetar s mekim željezom

Model ampermetra s mekim željezom

Kod ampermetra s mekim željezom tijek struje kroz električnu zavojnicu stvara magnetsko polje koje uvlači pomičnu kotvu od mekog željeza. Pomicanje kotve uzrokuje na prikladan način odgovarajući otklon kazaljke ampermetra na desno. Premda jednostavan i robustan, otklon kazaljke nije linearan u ovisnosti o jakosti električne struje, a zbog nelinearne karakteristike magnetizacije mekog željeza. Ova vrst ampermetra, međutim, za razliku od ostalih vrsta ampermetara registrira i jakost istosmjerne električne struje i jakost izmjenične električne struje što je ampermetru s mekim željezom svojevremeno davalo određene prednosti. Ampermetari s mekim željezom se već dugo vremena ne koriste i ustupili su mjesto točnijim izvedbama.

Galvanometar (ampermetar) sa zakretnim svitkom

Galvanometar

Galvanometar je vrst ampermetra. D'Arsonvalov galvanometar sa zakretnim svitkom (engleski: moving coil galvanometer) koristi međudjelovanje magnetskog polja permanentnog magneta i magnetskog polja zavojnice protjecane istosmjernom električnom strujom. U osnovi se radi o jednoj vrsti ampermetra koji registrira i mjeri električnu struju u oba smjera te ima neutralni položaj kazaljke u sredini skale, a ne na krajnjem lijevom položaju. Pri spajanju galvanometra u električni krug ne moramo zato paziti na polaritet spajanja, dok se pri spajanju ampermetra u strujni krug mora točno poznavati i smjer i jakost struje te u skladu s njima izvesti spajanje kako bi se spriječilo eventualno oštećenje.

Suvremenu izvedbu ovog instrumenta je konstruirao Edward Weston uz korištenje dviju prikladno izvedenih spiralnih opruga koje su davale odgovarajuću mehaničku protusilu. Postizanjem jednolike širine razmaka između jezgre instrumenta i polova permanentnog magneta postignuta je zadovoljavajuća linearnost i točnost pokazivanja instrumenta. Početni položaj kazaljke je na krajnjem lijevom dijelu skale, a različite izvedbe imaju pun otklon kazaljke za nazivnu vrijednost istrosmjerne električne struje od 25 mikroampera do kojih 10 miliampera. Suvremene izvedbe ovih mjernih instrumenata imaju grešku u mjerenju manju od 2,5% pri punom otklonu kazaljke. Za ovu vrst instrumenta rabe se nazivi instrument s pomičnim svitkom i instrument s pomičnom zavojnicom.

Ampermetar u elektrodinamskoj izvedbi

Ampermetar ove izvedbe umjesto permanentnog magneta koristi elektromagnet i može se koristiti i za mjerenje istosmjerne i za mjerenje izmjenične električne struje. Naime, zahvaljujući samoj izvedbi, promjenom tijeka električne struje mijenja se i polaritet magnetskog polja elektromagneta te smjer mehaničke sile koja pokreće kazaljku instrumenta ostaje nepromijenjen.

Ampermetar s vrućom žicom

Ampermetar s vrućom žicom zasniva se na pojavi da se električna žica protjecana dovoljno jakom električnom stujom zagrijava i povećava svoju duljinu. Premda ampermetri ovakve izvedbe imaju spor odziv i nisku točnost, ipak su našli svoju primjenu u nekim specifičnim područjima elektrotehnike kao što je na primjer mjerenje električne struje vrlo visokih frekvencija.

Digitalni ampermetar

Digitalni ampermetar koristi analogno/digitalni pretvarač i posredno mjeri napon na dovoljno malom otporu, pokazujući na zaslonu istovremeno odgovarajući iznos struje u amperima ili nekoj manjoj jedinici.

Ampermetar sa strujnim transformatorom

Jakost izmjenične električne struje može se mjeriti i posredstvom strujnog transformatora koji nije potrebno uključiti u strujni krug. Prikladno izvedenom obujmicom obuhvaća se električni vodič kroz kojeg prolazi struja, a izmjenično magnetsko polje inducira u petlji odgovarajući izmjenični električni napon, odn. struju koja se očitava na klasičnom ampermetru.

Ampermetar s Hallovim senzorom

Ampermetar s Hallovim senzorom je također primjer ampermetra koji nije potrebno uključiti u strujni krug. Prikladno izvedenim senzorom obuhvaća se magnetsko polje oko električnog vodiča, gdje senzor registrira električnu struju stvarajući na priključnicama električni napon proporcionalan struji kroz električni vodič. Instrument je izrazito prikladan za komercijalne potrebe u industriji i drugdje.

Uključenje u strujni krug

Za razliku od voltmetra koji se spaja paralelno potrošaču, odn. opterećenju u strujnom krugu, ampermetar se spaja u seriju s opterećenjem tako da je električna struja koja protiče kroz ampermetar upravo jednaka električnoj struji koja prolazi kroz potrošač (otpornik, dio složenijeg kruga i sl.). Unutrašnji otpor ampermetra treba biti što manji kako bi u strujni krug unosio što manju grešku u mjerenju. Iznimka su izvedbe ampermetara kod kojih se jakost električne struje registrira posredno, putem magnetskog polja koje stvara električna struja.

Kako ampermetar ima vrlo mali unutrašnji otpor i mjeri struju koja prolazi kroz strujni krug, njegovo spajanje paralelno opterećenju nalik voltmetru uzrokovat će kratki spoj dijela ili cijelog električnog strujnog kruga i imati za posljedicu moguće uništenje mjernog instrumenta i samog električnog izvora.

Povećanje mjernog opsega

Proširenje mjernog opsega ampermetra postiže se paralelnim spajanjem otpora tzv. shunta paralelno mjernom uređaju. Otpor shunta se određuje jednostavnim računom, a na temelju podataka o unutrašnjem otporu ampermetra i osjetljivosti ampermetra (nazivnoj vrijednosti istosmjerne, odn. izmjenične električne struje potrebne da bi kazaljka ampermetra pokazala puni otklon). Ukoliko je, na primjer, unutrašnji otpor ampermetra sa zakretnim svitkom 500 Ohma, a osjetljivost 200 mikroampera, proširenje mjernog područja ampermetra na, redom, 0-2 mA, 0-20 mA ili 0-200 mA izvest će se paralelnim spajanjem shunta, redom, 500/9 Ohma, 500/99 Ohma odn. 500/999 Ohma.

Primjene

Primjene ampermetra kao električnog mjernog instrumenta su brojne, od laboratorijskih i drugih mjerenja u elektrotehnici pa sve do kontrole jakosti električne struje u različitim industrijskim procesima. Mjerenje i ispitivanje prijenosnih karakteristika, ranije elektronskih cijevi, a kasnije poluvodičkih elemenata bilo bi neizvedivo bez električnih mjernih instrumenata, a gradnja brojnih elektroničkih i sličnih uređaja nezamisliva.

Literatura

1. L. A. Geddes, Looking back: how measuring electric current has improved through the ages, IEEE Potentials, Feb/Mar 1996, str. 40-42
2. Frank Spitzer and Barry Howarth, Principles of Modern Instrumentation, Holt, Rinehart and Winston, New York, 1972, ISBN 0-03-080208-3 pogl. 11

Ampermetar na Wikimedijinoj ostavi