آمپر متر — آنچه باید بدانید به زبان ساده

آمپر متر یا «آم متر» (Ammeter) وسیله‌ای است که برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی به کار می‌رود. همانطور که می‌دانیم متر کلمه‌ای است که با سیستم اندازه‌گیری مرتبط بوده و ابزاری است که می‌تواند کمیتی مانند طول را اندازه‌گیری کند. آم متر به معنی آمپر متر است که مقدار آمپر را اندازه می‌گیرد. آمپر واحد جریان است بنابراین آمپرمتر، متر یا ابزاری است که جریان را مورد بررسی قرار می‌دهد. در این مطلب در مورد نحوه کار، ویژگی‌ها و انواع آمپر مترها صحبت خواهیم کرد.

آمپر متر یا آمپر سنج چیست؟

الکتریسیته یا همان برق کاربردهای فراوانی مانند گرم کردن خانه‌ها، روشن شدن ماشین با چرخاندن سوییچ و ... دارد. ولی گاهی اوقات نیاز داریم تا جریانی که از یک دستگاه الکتریکی عبور می‌کند را اندازه‌گیری کنیم. یکی از ابزارهایی که می‌تواند این کار را انجام دهد آمپر متر است که جریان الکتریکی را اندازه‌گیری می‌کند. جریان الکتریکی شارش بارهای الکتریکی در واحد زمان است.

فیلم آموزش فیزیک – پایه یازدهم در فرادرس

کلیک کنید

رابطه بین جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی و نیروهای فیزیکی اولین بار توسط «هانس کریستیان اورستد» (Hans Christian Ørsted) مورد توجه قرار گرفت. او در سال ۱۸۲۰ متوجه شد که عقربه قطب ‌نما زمانی که جریان در یک سیم مجاور آن عبور می‌کند، منحرف می‌شود.

این دستگاه نام خود را از واحد استاندارد اندازه‌گیری جریان الکتریکی یعنی آمپر گرفت و غالباً روی دستگاه‌ها کلمه آمپر به صورت کوتاه شده amp دیده می‌شود. امروزه دستگاه‌های دیگری به نام مولتی متر وجود دارند که قادر به اندازه‌گیری چند کمیت هستند و یکی از قابلیت‌های آن‌ها اندازه‌گیری جریان است.

توجه به این نکته مهم است که آمپر متر فقط جریان را اندازه‌گیری می‌کند و ولتاژ را اندازه نمی‌گیرد. جریان و ولتاژ دو کمیت جداگانه هستند که ولتاژ را می‌توان به عنوان اختلاف پتانسیل الکتریکی در واحد بار یا به عنوان انرژی موجود در یک مدار یا میدان‌الکتریکی در یک نقطه واحد تعریف کرد. ولی جریان سرعت عبور بار الکتریکی از هر نقطه مشخص بر روی مدار است.

یکی از روشهای معمول برای درک تفاوت این دو پارامتر در نظر گرفتن عبور جریان از یک سیم مانند عبور آب از یک شلنگ است. در این شبیه‌سازی ولتاژ مانند فشار آب و جریان الکتریکی مانند سرعت جریان آب است. تغییرات در یکی از پارامترها می‌تواند روی دیگری تأثیر بگذارد اما این دو پارامتر یکسان نیستند. در تصاویر شماتیک از مدارهای الکتریکی یک آمپرمتر مانند شکل زیر با حرف A نمایش داده می‌شود.

انواع آمپر متر

دسته‌بندی آمپرمترها بر اساس دو پارامتر صورت می‌گیرد. این دستگاه‌ها را می‌توان براساس طراحی و ساختار و یا نوع جریان عبوری از آمپرمتر طبقه‌بندی کرد. در ابتدا دسته‌بندی آمپرمترها بر اساس ساختار را بررسی می‌کنیم. بر اساس این دسته‌بندی، آمپر مترها را می‌توان به پنج دسته تقسیم کرد:

1. آمپرمتر با سیم‌پیچ متحرک.
2. آمپرمتر با مغناطیس متحرک.
3. آمپرمتر با آهن متحرک.
4. آمپرمتر الکترودینامیک.
5. آمپرمتر سیم داغ.

از نظر جریان عبوری، آمپرمترها به دو دسته تقسیم می‌شوند:

1. آمپرمتر «جریان متناوب» (AC)
2. آمپرمتر «جریان مستقیم» (DC)

در ادامه به بررسی ویژگی‌های آمپرمترها در هر دسته می‌پردازیم.

آمپرمتر با سیم‌پیچ متحرک یا PMMC

این آمپرمتر دارای آهنرباهای دائمی است. در این آمپرمتر قسمت رسانا بین قطب دائمی آهنربا قرار می‌گیرد و با انحراف مغناطیسی کار می‌کند. طریقه کار بدین صورت است که با عبور جریان از قسمت رسانا، نیروی مکانیکی به آن وارد می‌شود و چون این قسمت به سیم‌پیچ متحرک متصل است، عقربه روی صفحه شروع به حرکت‌ می‌کند. از این نوع آمپرمتر فقط برای اندازه‌گیری جریان مستقیم استفاده می‌شود. هنگامی که منبع‌های تغذیه پل‌های یکسوکننده‌ هستند، می‌توان از این آمپرمتر در سیستم‌های AC نیز استفاده کرد.

گالوانومتر D'Arsonval یک آمپرمتر با سیم‌پیچ متحرک است. این آمپرمتر از انحراف مغناطیسی استفاده می‌کند یعنی جریان عبوری از یک سیم‌پیچ باعث حرکت سیم‌پیچ در میدان مغناطیسی می‌شود. شکل مدرن این دستگاه توسط ادوارد وستون ساخته شد که در آن از دو فنر مارپیچ برای تأمین نیروی بازگرداننده استفاده می‌کردند.

شکاف هوای ثابت بین هسته آهن و قطب‌های آهنربای دائمی باعث می‌شود که مقیاس انحراف به صورت خطی با جریان متناسب باشد. از آنجا که میدان مغناطیسی قطبی است عقربه دستگاه برای هر جهت جریان به صورت مخالف عمل می‌کند. از این رو یک آمپرمتر جریان مستقیم به نوع اتصال حساس است.

بیشتر آمپرمترها با یک ترمینال مثبت علامت گذاری شده‌اند اما بعضی از آن‌ها ترمینال صفر نیز دارند و می‌توانند جریان‌ها را در هر دو جهت نمایش دهند.

آمپرمتر با مغناطیس متحرک یا MM

آمپرمترهای با مغناطیس یا آهنربای متحرک اساساً همانند آمپرمترهای با سیم‌پیچ متحرک عمل می‌کنند با این تفاوت که سیم‌پیچ در این حالت نقش متر را دارد و یک آهنربای دائمی عقربه را حرکت می‌دهد. آمپرمترهای با آهنرباهای متحرک قادرند جریان‌های بزرگتری نسبت به آمپرمترهای با سیم‌پیچ متحرک اندازه‌گیری کنند، زیرا در این آمپرمترها سیم‌پیچ می‌تواند از سیم‌های ضخیم‌تری ساخته شود و نیازی نیست جریان توسط فنرهای نازک یا «فنر رقاصک» (HairSpring) منتقل شود. در واقع برخی از آمپرمترها در این دسته اصلاً دارای فنر نیستند و در عوض از یک آهنربای ثابت برای تأمین نیروی بازگرداننده استفاده می‌کنند.

آمپرمتر با آهن متحرک یا MI

این آمپرمتر می‌تواند هر دو جریان متناوب و مستقیم را اندازه‌گیری ‌کند. در این نوع آمپرمتر از یک قطعه آهن استفاده شده که با اعمال نیروی الکترومغناطیس به سیم‌پیچ ثابت، حرکت می‌کند.

همان طور که در تصویر بالا مشخص است آهن در این دستگاه شامل یک پره متحرک است که به عقربه متصل شده و یک پره ثابت نیز دارد که توسط یک سیم‌پیچ احاطه شده است.

با عبور جریان متناوب یا مستقیم از سیم‌پیچ در هر دو پره، یک میدان مغناطیسی در هر دو پره ایجاد می‌شود و سبب می‌شود پره‌ها یکدیگر را دفع کنند و پره متحرک در برابر نیروی بازگرداننده که توسط فنرهای مارپیچ ایجاد شده منحرف می‌شود.

انحراف مقیاس آهن متحرک متناسب با مربع جریان است. در نتیجه این ابزارها به طور معمول دارای مقیاس غیر‌خطی هستند اما قطعات آهنی معمولاً به شکلی در دستگاه قرار می‌گیرند که مقیاس نسبت به بازه بزرگی از دامنه تغییرات نسبتاً خطی باشد. این دستگاه توسط مهندس اتریشی، «فردریش درکسلر» (Friedrich Drexler)، در سال 1884 اختراع شد.

آمپرمتر الکترودینامیک

دقت این آمپر متر در مقایسه با آمپرمترهایی با آهن یا سیم‌پیچ متحرک بسیار بیشتر است و برای هر دو جریان مستقیم و متناوب استفاده می‌شود.

فیلم آموزش الکترومغناطیس مهندسی در فرادرس

کلیک کنید

آمپرمتر سیم داغ

در یک آمپرمتر با سیم داغ با عبور جریان از طریق یک سیم، سیم گرم شده و منبسط می‌شود. اگرچه این ابزارها اندازه‌گیری سریع و دقت بالایی ندارند اما گاهی اوقات در اندازه‌گیری جریان فرکانس رادیویی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

برای نشان دادن نوع آمپرمتر در مدار به صورت شماتیک از نماد‌های زیر استفاده می‌کنیم.

کاربرد آمپر متر

همان‌طور که گفتیم آمپرمتر یا آمپرسنج برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی در مدار به کار می‌رود.

اجزای آمپر متر

در این بخش توضیح خواهیم داد که چگونه می‌توانیم یک آمپرمتر بسازیم. برای ساخت یک آمپر متر باید وسایل زیر را فراهم کنید:

• سیم مسی 10 متر یا بیشتر
• دو آهن ربای کوچک دیسک مانند با قطر 1 سانتی متر
• نخ یا نخ قلاب ماهیگیری
• یک لوله مقوایی (به عنوان مثال لوله دستمال توالت)
• یک تکه مقوا $$10\ cm * 10\ cm$$
• چسب مایع حرارتی
• فویل آلومینیوم (دو مربع 5 سانتی‌متری)
• پونز
• دو سیم رنگی مانند شکل زیر

• سمباده
• باتری قلمی

ساخت آمپرمتر

به طول 4 سانتی‌متر از لوله را برش دهید. سیم مسی را حداقل 100 مرتبه دور مقطع لوله مقوایی بپیچید و حداقل 10 سانتی‌متر از سیم را در هر انتها آزاد بگذارید. برای نگه داشتن سیم‌پیچ بر روی لوله از چسب مایع حرارتی استفاده کنید. با استفاده از چسب مایع حرارتی یا منگنه لوله را به پایه متصل کنید.

عایق انتهای سیم مسی از دو طرف لوله را جدا کنید تا سیم به صورت مس براق ظاهر شود. انتهای سیم‌پیچ را حلقه کنید و آن را چندین بار بچرخانید. ورق آلومینیوم را به دور انتهای بدون عایق حلقه سیمی که ایجاد کرده‌اید بچرخانید تا به شکل یک مستطیل دربیاید و ضخامتی در حدود 1 سانتی‌متر در ۲٫۵ سانتی‌متر ایجاد کند.

فویل آلومینیوم را به مقوا منگنه کنید وهمین کار را با انتهای آزاد دیگر سیم انجام دهید. علامت + را در نزدیکی یک انتهای یکی از سیم‌ها علامت‌گذاری کنید، مهم نیست کدام انتها را به عنوان پایانه مثبت انتخاب می‌کنید.

آهن ربا را از یک نخ در مرکز سیم‌پیچ آویزان کنید، نخ را بین دو آهنربا نگه دارید و با برش لوله در دو انتهای سیم پیچ، آهنربا را در مرکز لوله ثابت کنید.

باتری را به سیم‌ها وصل کنید و طرف + باتری را به سر مثبت پایه که علامت زده‌اید متصل کنید. آهنرباها باید به گونه‌ای بچرخند که یک سمت آنها به سمت یکی از پایه‌های آلومینیومی باشد. بر روی سمتی از آهنربا که به سمت پایه مثبت است علامت + را درج کنید. با اتصال معکوس باتری آهنربا باید خلاف جهت ابتدایی بچرخد.

جریان الکتریکی با عبور از سیم‌پیچ یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند. سیم پیچ دارای قطب مغناطیسی است. میدان مغناطیسی به آهنربای آویزان از لوله نیرو وارد می‌کند و سبب می‌شود که نخ متصل به آهنربا بچرخد. آهنربای آویزان توسط میدان مغناطیسی زمین در حالت بدون جریان خود متوقف است، با عبور جریان و القای میدان مغناطیسی نخ متصل به آهنربا بیشتر شروع به پیچیدن می‌کند، هر چه جریان قوی‌تر باشد تعداد پیچش‌های نخ بیشتر می‌شود.

آمپرمتر چگونه کار می‌کند؟

هنگام استفاده از آمپرمتر بسیار مهم است که دستگاه به درستی به مدار وصل شود. برای درک نحوه تنظیم آمپرمتر از یک مدار ساده با منبع ولتاژ و سه مقاومت استفاده خواهیم کرد.

فیلم آموزش فیزیک – پایه یازدهم در فرادرس

کلیک کنید

این مدار ترکیبی از مقاومت‌های سری و موازی است. مقاومت 1 و مقاومت 2 مدار موازی را تشکیل می‌دهند که به صورت سری به مقاومت 3 متصل شده‌اند. آمپرمتر باید به صورت سری با بخشی از مدار که می‌خواهیم جریانش را اندازه‌گیری کنیم متصل باشد.

در سمت راست تصویر بالا آمپرمتر به طور موازی به مدار متصل است و این موضوع دو مشکل را ایجاد می‌کند. اولین مشکل این است که مسیرهای جایگزینی وجود دارد که جریان می‌تواند از طریق آن‌ها حرکت کند و به این معنی است که جریان در مسیرهای جایگزین با آمپرمتر اندازه‌گیری نمی‌شود. مشکل دوم این است که یک مسیر اتصال کوتاه ایجاد شده است.

مانند سیم، آمپرمترها نیز مقاومت بسیار کمی دارند بنابراین در صورت نصب صحیح در مدار تأثیری در جریان مدار نخواهند داشت. دلیل کوچک بودن مقاومت آمپر متر این است که آمپرمتر به صورت سری در مدار قرار می‌گیرد و مقاومت آن با مقاومت‌های موجود در مدار جمع می‌شود. اگر مقاومت آن زیاد باشد سبب می‌شود جریان عبوری از مدار تغییر کرده و کوچک شود، به همین دلیل ایده‌آل این است که مقاومت آمپرمتر صفر یا خیلی کوچک باشد.

با این حال وقتی آمپرمتر به طور موازی و به طور نادرست متصل شود مقاومت کم دستگاه اجازه می‌دهد تا جریان بسیار زیادی از طریق دستگاه جریان یابد و در نتیجه فیوز می‌پرد. در شکل سمت چپ تصویر (۱۱)، آمپرمتر به گونه‌ای متصل است که تمام جریان عبوری از مدار باید از آن عبور کند و هیچ راه دیگری وجود ندارد. این روش صحیح اتصال آمپرمتر برای اندازه‌گیری جریان مدار است اما تنها راه نیست. در واقع چندین نقطه در مدار وجود دارد که می‌توان آمپرمتر را برای انجام اندازه‌گیری در این نقاط قرار داد. در تصویر زیر هر آمپرمتر می‌تواند جریان کل مدار را اندازه گیری می‌کند.

شانت آمپرمتر چیست؟

عبور جریان با مقدار بالا به صورت مستقیم از داخل یک آمپرمتر سبب می‌شود که به ساختار داخلی دستگاه آسیب وارد شود. به همین دلیل و برای از بین بردن این مشکل مقاومتی به نام شنت به طور موازی با آمپرمتر قرار می‌گیرد.

اگر جریان بزرگی از مدار عبور کند قسمت عمده جریان از مقاومت شنت عبور خواهد کرد. مقاومت شنت بر عملکرد آمپرمتر تأثیر نخواهد گذاشت زیرا حرکت سیم‌پیچ ثابت می‌ماند.

اثر دما در آمپرمتر

آمپرمتر دستگاه حساسی است و به راحتی تحت تأثیر دمای محیط قرار می‌گیرد. تغییر دما باعث خطا در اندازه اعلام شده توسط آمپرمتر می‌شود. میزان این خطا می‌تواند با حضور مقاومت swamping کاهش یابد. مقاومتی با ضریب دمای صفر به عنوان مقاومت swamping شناخته می‌شود. با قرار دادن این مقاومت به صورت سری با آمپرمتر تأثیر دما بر روی آمپرمتر کاهش می‌یابد. تصویر (۱۳) این مقاومت را در مدار نشان داده است، همچنین آمپرمتر دارای یک فیوز داخلی است که از آن در برابر جریان‌های سنگین محافظت می‌کند. اگر جریان بزرگی از آمپرمتر عبور کند فیوز می‌پرد و دستگاه متوقف می‌شود.

آمپر متر چگونه در مدار قرار می‌گیرد؟

آمپرمتر باید به صورت سری در مدار قرار گیرد تا بتواند جریان عبوری درست از دستگاه را اندازه‌گیری کند. برای درک بهتر مطلب به بررسی چند مثال می پردازیم:

فیلم آموزش فیزیک عمومی ۲ – حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

مثال ۱: در شکل زیر نشان دهید که چگونه آمپر متر را به مدار وصل کنیم تا جریان صحیح را اندازه‌گیری کند؟

پاسخ: چون آمپرمتر باید به صورت سری در مدار قرار گیرد، پس شکل شماتیک مدار بعد از نصب آمپرمتر به صورت زیر خواهد بود:

نکته مهمی که باید در این سوال درک شود این است که آمپرمتر باید بخشی از مسیری باشد که جریان الکتریکی از آن عبور می‌کند.

مثال ۲: چرا اتصال مستقیم آمپرمتر به منبع ولتاژ مانند شکل زیر ایده بدی است؟

پاسخ: به دلیل مقاومت بسیار کم آمپر متر جریان زیادی از منبع ولتاژ وارد آمپرمتر می‌شود. در واقع آمپرمتر با منبع ولتاژ یک اتصال کوتاه ایجاد می‌کند و به آمپرمتر یا منبع آسیب می‌رسد.

در ابزارهایی که منبع تغذیه مقاومت داخلی کوچکی دارد، ممکن است جریان حاصل از چنین مدار کوچکی بسیار زیاد باشد. مقدار بسیار زیاد جریان الکتریکی سبب می‌شود سیم‌ها تا جایی گرم شوند که عایق آنها ذوب شده و باعث انفجار شود. هرکدام از این شرایط برای شخصی که آمپرمتر را نگه داشته و در حال آزمایش است خطرناک است.

مثال ۳: اگر یک آمپرمتر را به صورت مستقیم به یک اهم‌متر متصل کنیم چه اتفاقی می‌افتد؟

پاسخ: اهم‌متر باید مقاومت بسیار کوچکی را نشان دهد که در حقیقت مقاومت آمپر متر است.

مثال ۴: در سه حالت زیر بررسی کنید که الف) آیا چراغ روشن می‌شود؟ ب) مقداری که دو آمپرمتر نشان می‌دهند چگونه است؟

پاسخ: در حالت اول چراغ روشن نمی‌شود و جریان هر دو آمپر متر صفر است. در حالت دوم چراغ روشن می‌شود و جریانی که هر دو آمپرمتر نشان می‌دهند یکسان است و در حالت سوم چراغ روشن می‌شود ولی جریان آمپرمتر A بیشتر از آمپرمتر B است.

تفاوت آمپر متر با گالوانومتر

تفاوت عمده بین آمپرمتر و گالوانومتر این است که آمپرمتر فقط مقدار جریان را نشان می‌دهد در حالی که گالوانومتر هم جهت و هم شدت جریان را نشان می‌دهد. در یک گالوانومتر با چرخش یک سیم‌پیچ متحرک بین آهنرباهای دائمی و شارش بارالکتریکی انحراف در سیم‌پیچ رخ می‌دهد.

همچنین با اتصال موازی یک مقاومت با گالوانومتر یک آمپر متر و با اتصال سری یک مقاومت با گالونومتر یک ولت‌متر داریم. در جدول زیر تفاوت بین آمپرمتر و گالوانومتر در جدول نمایش داده شده است.

جدول ۱: تفاوت آمپرمتر و گالوانومتر