آمپر متر – آنچه باید بدانید به زبان ساده

آمپر متر یا آمپر سنج چیست؟

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.

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

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

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؟

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

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 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