Das Amperemeter
Ein einfaches Drehspul-Messinstrument · Strom wird zum Zeigerausschlag.
Wie wird aus Strom ein Zeigerausschlag?
1 · Die Spule wird magnetisch
Fließt Strom durch die Kupferspule, entsteht ihr Magnetfeld. Die Spule besitzt dann einen Nordpol und einen Südpol. Beim Umpolen wechseln diese Pole ihre Seiten.
2 · Die Spule dreht sich
Im Feld der Dauermagnete wirkt ein Drehmoment auf die stromdurchflossene Spule. Ihr magnetischer Nordpol dreht sich in Richtung des äußeren Südpols. Der Zeiger dreht sich mit. Auch das Tauschen der Dauermagnete kehrt den Ausschlag um.
3 · Der Zeiger bleibt stehen
Die Aufhängung wird verdrillt und wirkt der Drehung entgegen. Sind magnetisches und rückstellendes Drehmoment gleich groß, bleibt der Zeiger stehen. Ohne Strom kehrt er zur Nullstellung zurück.
Die drei parallelen Feldpfeile sind zur Übersicht in einer gemeinsamen Ebene dargestellt. Sie zeigen das äußere Feld der Dauermagnete: vom Nordpol zum Südpol. Im Inneren der Spule verläuft deren eigenes Feld vom Spulen-Südpol zum Spulen-Nordpol; dieses Feld ist nicht als Pfeile eingezeichnet. Die Größe der eingeblendeten Buchstaben N und S veranschaulicht die Stärke des Spulenmagnetfelds. Vereinfachtes Versuchsmodell mit gedämpfter Bewegung. Der Ausschlag wächst mit der Stromstärke, aber nicht exakt proportional. Ein übliches Drehspul-Messwerk verwendet ein besonders geformtes Magnetfeld und Rückstellfedern. Die blauen Punkte zeigen den Elektronenfluss (Minus → Plus); die technische Stromrichtung verläuft entgegengesetzt.
Wie messen moderne Amperemeter?
Ein digitales Amperemeter braucht keinen beweglichen Zeiger. Zwei wichtige Messverfahren sind:
1 · Ein kleiner Widerstand macht Strom messbar
Viele Digitalmultimeter leiten den Strom durch einen genau bekannten, sehr kleinen Widerstand, den Shunt. An ihm entsteht ein kleiner Spannungsabfall. Die Elektronik misst diese Spannung und berechnet daraus die Stromstärke: I = U / R. Das Ergebnis erscheint als Zahl auf dem Display.
Gemessene Spannung: 20 mV
I = 0,020 V / 0,01 Ω = 2,0 A
Der Shunt liegt in Reihe im Stromkreis. Der Spannungseingang der Elektronik liegt parallel zum Shunt. Sein Widerstand wird klein gewählt, damit er den Stromkreis möglichst wenig beeinflusst.
2 · Ein Sensor misst das Magnetfeld des Stroms
Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld. Ein Hall-Sensor erfasst dieses Feld elektronisch. Daraus bestimmt das Messgerät die Stromstärke – ohne bewegliche Spule. Manche Stromzangen nutzen dieses Prinzip: Sie werden um einen einzelnen Leiter gelegt, ohne den Stromkreis aufzutrennen. Hall-Sensoren können auch Gleichstrom erfassen.
Merke: Ein Digitalmultimeter misst häufig eine kleine Spannung am Shunt. Ein Hall-Strommesser erfasst das Magnetfeld des Stroms. Beide zeigen daraus die Stromstärke an.
Nicht jedes moderne Messgerät arbeitet ohne Spule: Manche Wechselstromzangen nutzen einen Stromtransformator mit Wicklung.
Quellen: Tektronix: Strommessung mit Shunt · Texas Instruments: Stromsensoren
Merke: Je größer die Stromstärke, desto stärker das Magnetfeld der Spule, umso stärker der Zeigerausschlag. Die Stromrichtung bestimmt die Richtung des Ausschlags.