Voltmetre ve ampermetre nedir? Devreye nasıl bağlanır?

Elektrik devrelerinde potansiyel farkın (gerilim ya da voltaj da denir) birim yük başına düşen potansiyel enerji farkı olduğunu ve gerilimin voltmetre ile ölçüldüğünü öğrendik. Akımın da devreden birim zamanda geçen yük miktarı olduğunu ve ampermetre ile ölçüldüğünü öğrendik. Bu yazıda voltmetrenin ve ampermetrenin özelliklerini ve elektrik devrelerine nasıl (seri mi yoksa paralel mi) bağlandıklarını ve bunun sebeplerini inceleyeceğiz.

Voltmetre nedir, devreye nasıl bağlanır?

Bir elektrik devresinde, herhangi bir devre elemanının uçları arasındaki potansiyel farkı ölçmek için kullanılan ölçüm cihazına voltmetre denir. Voltmetre devre elemanına paralel bağlanır, çünkü amaç devre elemanın uçları arasındaki potansiyel farkını ölçmektir. Bu nedenle devreye voltmetre bağlamak devre elemanları arasındaki bağlantıları koparmayı gerektirmez. Örneğin aşağıdaki resimde, Devre yapım seti simülasyonu kullanılarak, bir direncin uçları arasındaki gerilimi ölçmek için devreye bağlanmış bir voltmetre görülüyor.

Voltmetrenin uçlarındaki kabloların biri direncin bir ucuna, diğeri diğer ucuna bağlanmış. Voltmetre bu durumda 9 V gösteriyor. Eğer voltmetrenin kırmızı kablosuyla siyah kablosunun yerini değiştirseydik, -9 V değerini okuduğunu görürdük.

İdeal bir voltmetrenin direncinin sonsuz büyüklükte olduğu var sayılır. İdeal bir voltmetre adı üstünde hayaldir, gerçekte yoktur, bu nedenle direnci çok büyüktür demekle yetinmek zorundayız. Peki voltmetrenin gerilimi ölçebilmesi için direncinin çok büyük olması neden gereklidir?

Yukarıdaki resimde gösterilen dirence paralel bağlanmış olan voltmetre aslında devrenin direncini değiştiriyor. Çünkü voltmetrenin de bir direnci var ve devredeki dirence paralel bağlanarak bir eşdeğer direnç oluşturuyor. Paralel bağlı dirençlerin eşdeğer direncinin nasıl hesaplandığını öğrenmiştik:

R_{es} = (\frac{1}{R}+\frac{1}{R_{voltmetre}})^{-1}

Bu denklemde voltmetrenin devrenin direncini değiştirmemesinin tek yolu R_voltmetre >> R, yani voltmetrenin direncinin R’den çok büyük olmasıdır. Matematiksel olarak 1/R_voltmetre = 0 olabilmesi için R_voltmetre = ∞ Ω olması gerekir, bu ideal voltmetrenin direncidir. Gerçek voltmetrelerde direnç çok büyük olduğu için, devre analizinde voltmetrenin direnci sonsuz olarak kabul edilir.

Peki voltmetreyi dirence seri bağlarsak ne olur? Aşağıdaki resimde aynı devredeki aynı dirence bu kez voltmetreyi seri bağlıyoruz.

Dirence seri bağlandığında voltmetrenin 0 V gösterdiğini görüyoruz. Çünkü direncin değil telin potansiyel farkını ölçüyor. Aşağıdaki resimde gerçek bir analog (dijital olmayan demek) voltmetre gösteriliyor.

Ampermetre nedir, devreye nasıl bağlanır?

Bir elektrik devresinde, herhangi bir devre elemanının üstünden geçen elektrik akımını ölçmek için kullanılan ölçüm cihazına ampermetre denir. Ampermetre devre elemanına seri bağlanır, çünkü amaç devre elemanın üstünden geçen ölçmektir. Bu nedenle bir devreye ampermetre bağlamak için devre elemanları arasındaki bağlantıları koparmak şarttır. Örneğin aşağıdaki resimde, bir direncin üzerinden geçen akımı ölçmek için devreye bağlanmış bir ampermetre görülüyor.

Ampermetrenin bir ucu direncin bir ucuna bağlanmış, dirençle pili bağlayan tel koparılmış, ampermetrenin diğer ucu telle pile bağlanmış.

İdeal bir ampermetrenin direncinin sıfır olduğu farz edilir. İdeal bir ampermetre gerçekte yoktur, bu nedenle direnci çok küçüktür deriz. Peki ampermetrenin akımı ölçebilmesi için direncinin çok küçük olması neden gerekir?

Yukarıdaki resimde gösterilen dirence seri bağlanmış olan ampermetre devrenin direncini değiştiriyor. Çünkü ampermetrenin de bir direnci var ve devredeki dirence seri bağlanarak bir eşdeğer direnç oluşturuyor. Seri bağlı dirençlerin eşdeğer direncinin nasıl bulunduğunu biliyoruz:

R_{es} = R + R_{ampermetre}

Eğer devrenin direncini değiştirmemek, dolayısıyla doğru ölçüm alabilmek istiyorsak R_ampermetre = 0 Ω olması gerekir, bu ideal ampermetrenin direncidir. Gerçek ampermetrelerde direnç çok küçük olduğu için, devre analizinde ampermetrenin direnci sıfır olarak kabul edilir.

Peki ampermetreyi dirence paralel bağlarsak ne olur?

Aşağıdaki resimde aynı devredeki aynı dirence bu kez ampermetreyi paralel bağlıyoruz.

Dirence paralel bağlandığında ampermetrenin 37313,91 A ölçtüğünü görüyoruz. Bu çok yüksek bir akım değeri. Ayrıca pilin de çok ısınıp tutuştuğunu görüyoruz. Neler oluyor?

Kısa devre nedir?

Önce kısa devrenin ne olduğunu anlamamız gerekiyor. Aşağıdaki resimde bir pilin uçlarını direnci olmayan tellerle (aslında direnci önemsenmeyecek kadar küçük demek istiyoruz, çünkü sadece ideal tellerin direnci sıfırdır) bağladığımızda neler olduğu gösteriliyor.

Telin direnci çok küçük olduğu için devreden çok büyük bir akım geçiyor. Ohm kanununu kullanarak akımın büyüklüğünü hesaplayabiliriz.

V=I_{kisa-devre} R; \space R = 0 I_{kisa-devre} = \frac{V}{0} = \infty

Akım sonsuz oluyor! Gerçek tellerin direnci ve gerçek pillerin de içdirenci olduğu için bu simülasyondaki devrede ampermetre 40864 A gibi büyük bir değer göstermiş.

Peki ampermetrenin dirence paralel bağlanmasıyla kısa devrenin ne alakası var? Bunu da Kirchoff kanunlarını ve dirençlerin paralel bağlanmasında akımın davranışını inceleyerek bulabiliriz.

Ampermetre dirence paralel bağlandığında ampermetrenin ve direncin uçları aynı noktaya bağlı olduğu için potansiyel farkları eşittir.

V = I_{ampermetre} R_{ampermetre} V = I_{direnc}R_{direnc} I_{direnc}R_{direnc} = I_{ampermetre} R_{ampermetre}

Ampermetrenin direnci sıfır ise üzerinden geçen akım sonsuz olur.

R_{ampermetre} = 0; I_{ampermetre} = \infty

Kirchoff’un akımlar kanunundan düğüm noktasına giren ve çıkan akımlar birbirine eşittir.

I = I_{direnc} + I_{ampermetre} I = \infty \infty = I_{direnc} + \infty I_{direnc} = 0

Demek ki bir elektrik devresinde akım direncin olmadığı yoldan geçer, işte buna kısa devre denir. Eğer bir dirence bir teli ya da ampermetreyi paralel bağlarsanız, kısa devre yaparsınız. Devre yanar! Cidden yanar. Bunun için sigorta kullanıyoruz.

Aşağıdaki resimde laboratuvarda kullanılan bir ampermetre gösteriliyor.

Bu resimde ise bir miliampermetre gösteriliyor. Yukarıdakinden farkı birimi, üstteki ampermetreye göre bin kat daha hassas ölçüm yapabiliyor.

Voltmetre ve ampermetre ile ilgili kazanımlar

2017 – 10.1.2.1. Elektrik Akımı, direnç ve potansiyel farkı arasındaki ilişkiyi analiz eder.

• Voltmetre ve ampermetrenin direnç özellikleri ile devredeki görevleri açıklanır.