آمپرسنج چیست؟ – انواع و طرز ساخت آن

جریان الکترکی در مدار به وسیله ی ابزاری به نام آمپرمتر یا آمپرسنج اندازه گیری می شود. نام دیگر این وسیله آم متر (به انگلیسی : Ammeter) است. همان طور که می دانید، آمپر واحد جریان الکتریکی است. متر نیز ابزاری برای سنجش و اندازه گیری می باشد پس معنی لغوی این کلمه نشان دهنده ی کاری است که انجام می دهد. لازم به ذکر است در فصل ۹ کتاب درسی علوم هشتم هم به آمپر سنج پرداخته شده است. در این مقاله ی نشریه جهان شیمی فیزیک به آمپرسنج و انواع مختلف آن، اجزای تشکیل دهنده و نحوه ی کار با این وسیله ی کاربردی می پردازیم.

فهرست مطالب :

۱- آمپرسنج و یا آمپرمتر چیست؟

۲- کلیات و تاریخچه ی وسیله آمپرسنج یا آمپرمتر

۳- تفاوت گالوانومتر با آمپرسنج یا آمپرمتر

۴- چگونگی استفاده از آمپرمتر

۵- برای ساختن یک آمپرمتر به چه وسیله هایی نیاز داریم؟

۶- طرز ساخت آمپرمتر

۷- انواع مختلف آمپرسنج

۸- ویژگی های مختلف آمپرسنج های گوناگون

۹- آمپرمتر با مغناطیس متحرک یا MM

۱۰- آمپرسنج آهن متحرک یا MI

۱۱- آمپرسنج الکترودینامیک و آمپر سنج سیم داغ

۱- آمپرسنج و یا آمپرمتر چیست؟

در اطراف ما از چراغ های روشنایی گرفته تا لوازم گرمایشی، صوتی، تصویری و… همه و همه با جریان برق و یا همان الکتریسیته کار می کنند. در نتیجه جریان برق عضو جدا نشدنی و پر اهمیت زندگی بشر امروزی است. همان طور که پیش تر به آن اشاره شد، آمپرسنج این جریان برق را اندازه گیری می کند. در زمان هایی که نیاز به اندازه گیری جریان برق عبوری از دستگاه یا وسیله ی خاصی داریم از این ابزار کاربردی می توان استفاده کرد. در سیستم SI یکای جریان الکتریکی آمپر است که از روی نام یک فیزیک دان نام گذاری شده است.

عبور یک کولن بار الکتریکی در زمان یک ثانیه، تعریف آمپر می باشد. آمپرسنج به صورت متوالی یا سری در مدار الکتریکی قرار می گیرد. در زمانی که این وسیله به صورت موازی در مدار قرار گیرد، موجب اتصال کوتاه دو سر مدار می شود. آمپر سنج باید مقاومت نداشته باشد یا مقاومت آن بسیار کم و نزدیک به صفر باشد.

۲- کلیات و تاریخچه ی وسیله آمپرسنج یا آمپرمتر :

اولین بار در سال ۱۸۲۰هانس کریستیان رستد با قرار دادن قطب نما در کنار سیم جریان دار دار تغییرات جریان را ثبت کرد و رابطه بین میدان مغناطیسی و جریان الکتریکی را کشف کرد. اولین وسیله ای که برای تشخیص و اندازه گیری  جریان الکتریکی استفاده شد گالوانومتر بود که توسط دانشمند ایتالیایی لوئیجی گالوانی اختراع شد. در این دستگاه جریان الکتریکی  ناشی از سیم پیچ در میدان مغناطیسی باعث حرکت عقربه آن می شود. لوئیجی گالوانی دستگاه خود را برای کشف کردن فعالیت های الکتریکی بدن مانند فعالیت قلب و مغز و همچنین تشخیص سیگنال های زیردریایی به کار برد.

دیگر ابزارهای سنجش شدت جریان الکتریکی آمپرسنج سیم دار آهن ربایی الکترودینامیکی آمپرسنج سیم دار، آمپرمتر دیجیتال و پیک متریک هستند. همچنین رئوسکوپ که در سال ۱۸۴۰ توسط چارلز میتون ساخته شد که بعدها به شکل رئوستا (وسیله ای برای تنظیم جریان الکتریکی) معروف شد.

۳- تفاوت گالوانومتر با آمپرسنج یا آمپرمتر :

گالوانومتر با آمپرسنج تفاوت هایی دارد که مهمترین تفاوت آن این است که آمپر سنج برخلاف گالوانومتر جهت و شدت جریان را نشان نمی دهد بلکه فقط مقدار جریان را نشان می دهد در گالوانومترها چرخش یک سیم پیچ متحرک بین آهنرباهای دائمی باعث شارش بار الکتریکی و انحراف در سیم پیچ می شود. همچنین هنگامی که گالوانومتر را به طور موازی به یک مقاومت متصل می کنیم یک آمپر متر خواهیم داشت اگر گالوانومتر را به یک مقاومت به طور سری وصل کنیم یک ولت متر خواهیم داشت. دقت اندازه گیری آمپرمتر نیز بسیار بیشتر از گالوانومتر است. تفاوت دیگری که این دو دستگاه دارند در استفاده از آنهاست.

آمپرسنج در مدارهای الکترونیکی استفاده می شود و جریان متناوب و مستقیم را اندازه می گیرد ولی گالوانومتر در پل ها و برای اندازه گیری پتانسیل استفاده می شود. برخلاف آمپرسنج تنها جریان مستقیم را اندازه گیری می کند. همچنین گالوانومتر فقط در حضور میدان مغناطیسی کار می‌کند. در صورتی که کارکرد آمپرسنج به حضور یا عدم حضور میدان مغناطیسی بستگی ندارد. گالوانومتر فقط به صورت الکترونیکی است. در حالی که آمپرسنج علاوه بر الکترونیکی بودن می تواند دستی نیز باشد.

۴- چگونگی استفاده از آمپرمتر :

در حین استفاده از آمپرمتر باید بسیار دقت کنیم که آمپرسنج به مدار به درستی متصل شود. زیرا باید به صورت سری به قسمت مورد نظر از مدار که می خواهیم جریانش را اندازه بگیریم متصل شود. در غیر این صورت اتصال کوتاه ایجاد می شود. می دانیم که آمپرسنج ها مقاومت بسیار کمی دارند و مثل یک سیم خالی حساب می شوند. در نتیجه اگر به صورت سری وصل شود در جریان مدار تاثیر چندانی ندارد. همچنین اگر مقاومتی هم داشته باشد با مقاومت موجود در مدار جمع می شود. اگر این مقاومت زیاد باشد باعث تغییر جریان عبوری از مدار خواهد شد. این جریان کوچک خواهد شد، به همین علت آمپرسنج ایده آل مقاومت بسیار کم یا صفر دارد.

اما اگر یک مقاومت به صورت موازی و نادرست متصل شود به علت ورود جریان بسیار زیاد از منبع ولتاژ به دستگاه آمپرسنج فیوز می پرد و اتصال کوتاه رخ می دهد. در در این صورت آمپرمتر یا منبع آسیب می بیند. همچنین ممکن است سیم ها گرم شوند تا حدی که  ذوب شده و باعث منفجر شدن مدار شوند. در نتیجه برای شخص در حال آزمایش خطر دارد.

۵- برای ساختن یک آمپرمتر به چه وسیله هایی نیاز داریم؟

برای ساختن یک دستگاه آمپرسنج که تا حدود زیادی استاندارد و قابل استفاده باشد، به وسیله های زیر نیاز داریم. این وسیله ها عموما در دسترس بوده و به آسانی در بازار یافت می شوند.

٭ دو سیم رنگی

٭ فویل آلومینیوم

٭ سیم مسی ۱۰ متر یا بیشترمقداری نخ

٭ مقوای لوله شده

٭ چسب مایع یا حرارتی

٭ دو عدد آهنربا با شعاع نیم سانتی متر

٭ یک عدد مقوای ۱۰ در ۱۰

٭ باتری قلمی

٭ سمباده

۶- طرز ساخت آمپرمتر :

ابتدا لوله را به طول ۴ سانتی متر می بریم. پس از آن سیم مسی را صد مرتبه یا بیشتر دور می پیچیم و ۱۰ سانتی متر سیم مسی را در هر انتهای لوله آزاد می گذاریم . می‌توانیم از چسب مایع برای نگه داشتن در لوله استفاده کنیم. سپس پس لوله را به پایه وصل می کنیم. انتهای سیم مسی را از او جدا کرده و آن را حلقه کرده و می پیچانیم. سپس ورق آلومینیوم را به دور انتهای آن به شکل مستطیل درمی‌آوریم. بعد آلومینیوم را به مقوا منگنه می کنیم. یک پایانه را عنوان مثبت انتخاب کرده (فرقی ندارد) و علامت + را بر روی آن مینویسیم. نخ را به آهنربا پیچیده و در مرکز سیم پیچ آویزان می کنیم. سپس با بریدن لوله در دو انتها آهنربا رو ثابت میکنیم. باتری را به پایانه مثبت مشخص شده وصل می کنیم.

آهن ربا ها به سمت یکی از پایه های آلومینیومی طوری می چرخند که یک سمت آن ها به سمت یکی از پایه ها باشد. در آن سمت از آهنربا به طرف پایانه مثبت است را + می نویسیم. (اگر باتری را برعکس وصل کنیم آهن ربا بر خلاف جهت اولیه میچرخد). در نتیجه عبور جریان الکتریکی از سیم پیچ میدان مغناطیسی ایجاد می شود، آن سیم پیچ دارای قطب مغناطیسی می شود. نیروی وارده از سوی میدان مغناطیسی آهن ربا باعث می شود که آهنربای آویزان چرخ ها و نخ متصل به آن پیچ بخورد. به طوری که جریان های قوی تر باعث پیچش های بیشتری در نصب می شوند.

۷- انواع مختلف آمپرسنج :

آمپر سنج ها را می توان بر اساس دو تقسیم بندی مختلف دسته بندی کرد. اولین دسته بندی بر اساس نوع جریان عبوری از دستگاه است که بر اساس آن آمپرمتر ها به دو دسته آمپرمتر با جریان متناوب و آمپرمتر با جریان مستقیم تقسیم ‌بندی می‌شود. نوع دیگر دسته بندی بر اساس ساختار و اساس دستگاه است که بر اساس این دسته بندی آمپر سنج ها به انواع زیر تقسیم می شوند :

٭ آمپرسنج با سیم پیچ متحرک (Moving magnet)

٭ آمپرسنج با آهنربا یا مغناطیس متحرک (Moving magnet)

٭ آمپرسنج الکترودینامیکی (Electrodynamic)

٭ آمپرسنج آهن متحرک (Moving iron)

٭ آمپر سنج سیم داغ (Hot wire)

٭ آمپر سنج دیجیتالی (Digital)

٭ آمپرسنج انتگرالی (Integrating)

٭ ویژگی های آمپر سنج با سیم پیچ متحرک یا PMMC

۸- ویژگی های مختلف آمپرسنج های گوناگون :

آهنربای این آمپرسنج ها دائمی است. این آمپر سنج ها تنها برای اندازه گیری جریان مستقیم استفاده می شوند. اما وقتی منابع تغذیه پل های به یک سو کننده باشند، می‌توانیم از آنها در جریان های غیر مستقیم نیز استفاده کنیم. مثال بارزی از این نوع آمپر سنج ها گالوانومتر است که بر اثر انحراف مغناطیسی، جریان سیم پیچ سبب حرکت آن در جهت میدان مغناطیسی می گردد. ادوارد وستون نسخه پیشرفته تری است این آمپر سنج را اختراع کرد که نیروی بازگرداننده را با دو فنر مارپیچی ایجاد می کند. در این حالت بین هسته آهنی و قطب آهنربای دائمی خلال هوایی ایجاد می شود که باعث منحرف شدن عقربه به صورت خطی متناسب با جریان باشد.

آمپرمتر جریان مستقیم به جهت جریان و نوع اتصال حساس است و دو ورودی مثبت و منفی دارند. یعنی میدان مغناطیسی دوقطبی باعث انحراف عقربه آمپر سنج برخلاف جریان می شود. این نوع آمپرسنج ها را غالباً به صورت یک سو می سازند. یعنی یک ورودی ترمینال مثبت علامت گذاری شده دارند که متوسط جریان متناوب در آن برابر صفر است. ولی برخی دیگر ورودی صفر دارند که جریان را در دو جهت نشان میدهند.

۹- آمپرمتر با مغناطیس متحرک یا MM :

اساس عمل این نوع آمپرمترها با آمپرمتر با سیم پیچ متحرک یکسان است اما تفاوت‌های کمی دارند. مثلاً در این آمپرمتر آهنربای دائمی عقربه را حرکت می دهد. سیم پیچ نقش اندازه گیری را بر عهده دارد. همچنین این آمپرمترها نسبت به آمپرسنج با سیم پیچ متحرک شدت جریان های بزرگ تری را اندازه گیری می کنند. زیرا سیم پیچی این آمپرمترها معمولاً از سیم های ضخیم تر ساخته می شود و لزوماً به فنر رقاصک نیازی نیست حتی بعضی از آن ها فاقد فنر هستند و برای تامین کردن نیروی بازگرداننده خود از یک آهنربای غیر متحرک استفاده می کنند..

۱۰- آمپرسنج آهن متحرک یا  MI :

آمپرسنج با آهن متحرک جریان متناوب و هم جریان مستقیم را اندازه بگیرد. فردریک دکسلر اهل اتریش در سال ۱۸۸۴ این دستگاه را اختراع کرد. آهن به کار رفته در این آمپرسنج ها در اثر نیروی مغناطیسی وارد شده به سیم پیچ ثابت حرکت میکند. یعنی در این آمپرسنج ها آهن متحرک و سیم پیچ ثابت است. این آهن متحرک متصل به عقربه است و قسمتی ثابت دارد که آن قسمت ثابت احاطه شده توسط سیم پیچ است. میدان مغناطیسی در دو قسمت آهن که بر اثر عبور جریان متناوب یا مستقیم تولید شده باعث دفع دو قسمت توسط یکدیگر می شود و انحراف قسمت متحرک توسط نیروهای بازگرداننده ایجاد شده توسط فنرهای مارپیچ می شود.

۱۱- آمپرسنج الکترودینامیک و آمپر سنج سیم داغ :

آمپرسنج الکترودینامیک از انواع دسنتگاه های آمپرمتر است. این نوع آمپرسنج ها دقت بسیار بیشترین نسبت به سایر آمپرسنج ها دارند. هر دو جریان مستقیم و متناوب را اندازه می گیرد. آمپرسنج سیم داغ هم نوع دیگری از أنواع مختلف آمپرسنج ها است.  این نوع آمپرسنج دقت و سرعت بالا ندارند و معمولاً مورد استفاده آنها در اندازه گیری جریان فرکانس رادیویی می باشد. طریقه کار آن نیز گرم شدن و انبساط یک سیم بر اثر عبور جریان از آن می باشد. پس دتنستیم آمپرسنج ها در أنواع گوناگونی ساخته می شود.

این انواع مختلف توسط مصرف کنندگان و فیزیک دان ها به جهت مصارف صنعتی، الکترونیکی و آزمایشگاهی، هم قابل ساخت بوده و هم در بازار یافت می شود. با یک سرچ ساده در شبکه ی جانی اینترنت، به راحتی می توان به سایت های فروشگاه های زیادی که أنواع این آمپرسنج ها را خرید و فروش میکنند، دسترسی پیدا کرد.