Электроника:Эксперименты/Электрические цепи постоянного тока/4-проводное измерение сопротивления

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

4-проводное измерение сопротивления

Оборудование и материалы

• 6-вольтовая батарея
• Электромагнит, сделанный в ходе эксперимента в предыдущей главе, или большая катушка с проволокой.

Было бы идеально в этом эксперименте иметь два отдельных измерителя: один вольтметр и один амперметр.

Для экспериментаторов с ограниченным бюджетом это может быть невозможно. Какой бы амперметр ни использовался, он должен измерять ток не менее нескольких ампер.

6-вольтовая «фонарная» батарея, по существу, закороченная длинным куском провода, может производить токи такой величины. Ваш амперметр должен быть способен измерить её, при этом у него не должен перегореть предохранитель или не должен получить каких-либо других повреждений. Убедитесь, что максимальный диапазон тока на измерителе составляет не менее 5 ампер!

Ссылки по теме

• «Уроки по электрическим цепям», том 1 «Постоянный ток», глава 8: «Измерения в электрических цепях постоянного тока»

Цели эксперимента

Проиллюстрировать…

• … принцип действия измерения сопротивления по шкале Кельвина (4 проводной способ).
• … как измерять низкие сопротивления с помощью обычного испытательного оборудования

Принципиальная схема

Рис. 1. Принципиальная схема 4-проводного измерения сопротивления.

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация 4-проводного измерения сопротивления.

Ход эксперимента

Хотя этот эксперимент предпочтительнее проводить с двумя мультиметрами (что, собственно, и показано на схеме и иллюстрации), однако и одного мультиметра будет достаточно.

Большинство омметров работают по принципу приложения небольшого напряжения к неизвестному сопротивлению (R_{Неизвестн.}) и определения сопротивления по величине потребляемого им тока.

За исключением особых случаев (например, если это мегомметр), величины напряжения и тока, используемые счётчиком, довольно малы.

Это представляет проблему для измерения низких сопротивлений, поскольку образец с низким сопротивлением может иметь гораздо меньшее значение сопротивления, чем сама схема измерителя.

Представьте себе, что вы пытаетесь измерить диаметр хлопчатобумажной нити с помощью аршина или измерить вес монеты с помощью весов, предназначенных для взвешивания грузовых автомобилей, и вы оцените стоящую перед вами задачу.

Одним из многих источников ошибок при измерении малых сопротивлений обычным омметром является сопротивление собственных измерительных проводов омметра.

Являясь частью измерительной цепи, измерительные выводы могут иметь большее сопротивление, чем сопротивление испытуемого образца, что приводит к значительной погрешности измерения:

Рис. 3. Сопротивление проводов измерителя может исказить показания омметра.

Одно из решений – так называемый метод Кельвина или 4-проводной метод измерения сопротивления. Он включает использование амперметра и вольтметра, определение сопротивления образца, используя закон Ома.

Через неизвестное сопротивление пропускают ток и измеряют. Падение напряжения на сопротивлении измеряется вольтметром, а сопротивление рассчитывается по закону Ома (R = E/I).

Очень маленькие сопротивления можно легко измерить, используя большой ток, что обеспечивает более лёгкое измерение падения напряжения, из которого можно сделать вывод о сопротивлении, чем если бы использовался небольшой ток.

Поскольку при расчёте учитывается только падение напряжения на неизвестном сопротивлении, а не падение напряжения на измерительных проводах амперметра или любых других соединительных проводах, по которым течёт основной ток, ошибки, вызванные этими паразитными сопротивлениями, полностью исключаются.

Во-первых, выберите образец с подходящим низким сопротивлением для использования в этом эксперименте. Я предлагаю катушку электромагнита, описанную в предыдущей главе, или катушку с проволокой, у которой есть доступ к обоим концам. Подсоедините к этому образцу 6-вольтовую батарею с последовательно включённым амперметром.

Предупреждение

Используемый амперметр должен быть способен измерять ток не менее 5 ампер, чтобы он не был повреждён (возможно) высоким током, генерируемым в этом состоянии, близком к короткому замыканию. Если у вас есть второй измеритель, используйте его для измерения напряжения в точках подключения образца, как показано на рисунке, и запишите показания обоих приборов.

Если у вас есть только один измеритель, используйте его для измерения сначала тока, записывая его показания как можно быстрее, затем сразу же размыкая (разрывая) цепь.

Переключите измеритель в режим напряжения, подключите его к точкам соединения образца и снова подключите батарею, быстро отмечая индикацию напряжения.

Вы не хотите оставлять батарею подключённой к образцу дольше, чем это необходимо для получения показаний измерителя, так как она начнёт быстро разряжаться из-за высокого тока в цепи, что поставит под угрозу точность измерения, когда измеритель будет переконфигурирован и цепь снова замыкается для следующего измерения.

При использовании двух счётчиков это не так важно, поскольку показания тока и напряжения могут фиксироваться одновременно.

Возьмите измеренное напряжение и разделите его на измеренную силу тока. Частное будет равно сопротивлению образца в омах.