какое действие тока используется в гальванометрах

Что такое гальванометр

Гальванометр — это прибор для измерения величины электрического тока, яркий представитель приспособлений, которые показывают достоверные сведения. Устройство применяют для изучения силы тока, движущегося по электрической цепи и других его показателей. Ввиду богатства выбора моделей, их эксплуатационных характеристик, аппараты благополучно используются как в специализированных учреждениях, так и в домашних условиях.

История возникновения

Первым в далеком 1820 г. колебания магнитной стрелки под влиянием электрических зарядов отметил датчанин Ганс-Христиан Эрстед. При изучении этого свойства стало понятно, что явление может служить методом замера тока. Если вести речь об изобретателе гальванометра, нужно упомянуть, что осенью того же 1820 г. похожее приспособление впервые описал в своих работах немецкий физик И. Швейгер. Название, дошедшее до наших дней, возникло в 1836 г. Первоисточником стала фамилия итальянца Гальвани, поэтому бытует мнение, что этот ученый его и изобрел.

Принцип действия гальванометра, сконструированного в начале XIX века, состоял в элементарном замысле: магнитную полоску крепили на нить и размещали посреди неподвижной бобины из проволоки. В момент, когда в катушке возникал ток, указатель смещался с первоначальной позиции.

Устройство и принцип работы

Что представляет собой гальванометр сегодня. Главные механизмы устройства, применяемого в настоящий момент:

Работает устройство таким образом: когда сквозь катушку пропускается электричество, внутри нее мгновенно возникает магнитный поток. Одновременно происходит контакт между полями стационарного магнита и образовавшегося потока. Металлическая обмотка бобины, а за ней и стрелка отодвигается от нулевой отметки, демонстрируя существование электротока. Когда подача электричества прекращается, магнитное поле исчезает. При помощи пружины указатель возвращается в исходную позицию. Ниже изображена схема гальванометра.

Описываемое приспособление очень восприимчиво. Измеряемая величина может равняться 100 мкА. Чтобы замерить ток большей силы, нужны дополнительные шунты.

На схемах гальванометр принято обозначать стрелкой, размещенной в середине круга и смотрящей вверх.

Классификация гальванометров

Производители выпускают разные гальванометры. Несмотря на то, что все устройства действуют по одному принципу, разработан богатый ассортимент подвидов этого прибора. Различаются они между собой габаритами, конструктивными особенностями, шкалой делений, функциональностью, принципом работы.

По конструктивным решениям гальванометры делят на:

У портативных элементы механизма размещены на растяжках, в зеркальных крепятся на гибком подвесе.

По области применения:

По принципу работы гальванометра:

Магнитоэлектрический гальванометр

Состоит из рамки-проводника, обмотанной проводом с тонким сечением. Рама зафиксирована на стержне в поле стационарного магнита. Указатель, прикрепленный к раме гальванометра, точно измеряет величину электротока в единицах, которыми проградуирована шкала. От других аналогичных приборов магнитоэлектрический отличается высокой чувствительностью.

Электромагнитный

Элементами такого приспособления стали неподвижная катушка под напряжением и лабильный магнит. Последний притягивается к бобине или вращается вокруг нее. Такой прибор обладает непостоянством шкалы. С градуировкой возникают трудности.

Тангенциальный

Гальванометр работает при помощи компаса. В конструкцию входит бобина из медной проволоки, которая намотана на вертикальную намагниченную поворотную рамку.

Электродинамический

В данном случае в роли перемещающегося и стационарного механизмов применены катушки с электрическим током.

Тепловой

Состоит из электропроводника, способного увеличиваться в длину при нагревании, и системы рычагов, трансформирующих удлинение в колебательные движения указателя.

Зеркальный

Прибор обладает минимальной погрешностью измерений. Отраженный в зеркале световой поток заменил в этом приспособлении стрелку шкалы. Чаще всего с помощью скоростных зеркальных гальванометров делают лазерные представления. Это устройство как нельзя лучше подходит для создания эффектной картинки из подвижных цветных лучей.

Вибрационный

Этот прибор — подвид зеркальных. Стало традиционным измерение виброгальванометром явления нуль-индикатора. Отклик к колебательным движениям в этом устройстве наделил его сверхчувствительностью к частотным скачкам тока. В связи с этим инструмент применяют для наладки оборудования, требующего высокой точности настроек.

Применение гальванометра в физике и повседневной жизни

Профессионалы всех отраслей промышленности, специалисты других сфер деятельности применяют гальванометры для измерения данных, которые доказывают соответствие определенных величин заданному диапазону. Таким образом производится результативное наблюдение за актуальным состоянием электроцепей, заблаговременно устраняются недочеты или поломки.

Ученые активно применяют высокоточное устройство в лабораторных и научно-исследовательских целях. Физики измеряют гальванометром силу тока. Для этого приспособление подключают таким образом, чтобы через него прошел весь электрический ток в цепи. Чтобы достичь такого результата, цепь размыкают на каком-нибудь участке, концы присоединяют к контактам прибора. Так оборудование оказывается последовательно включенным в цепь и готовым к использованию.

В бытовых условиях гальванометр применяют как аналоговый датчик для определения силы тока.

Все вышеперечисленные виды приборов просты в изготовлении и применении.

Высокотехнологичность, присущая настоящему времени, диктует свои условия. На данном этапе активно применяются инновационные разработки и почти везде внедрены электронные аналоги. Безусловным преимуществом называют их работоспособность, а также точность обозначений и измерений.

Интересно, что гальванометр является одновременно и самодостаточным оборудованием, и используется в качестве основы других приборов. Важна и функция нуль-индикатора, которой наделен главный герой статьи. Разработан вариант применения гальванометров в качестве амперметра, вольтметра, устройства для фиксации сигналов осциллографа. Этот факт значительно расширяет диапазон возможностей, поэтому шкала может обозначаться парой-тройкой электрических показателей. В список измеряемых гальванометром величин входят и единицы напряжения.

Видео по теме

Источник

Вопросы § 35

Физика А.В. Перышкин

1.Как можно наблюдать на опыте тепловое действие тока?

Тепловое действие тока можно наблюдать на проволоке, через которую пропускают электрический ток, она нагревается, удлиняется от нагревания и провисает. Если ток увеличить, можно нагреть проволоку докрасна. В лампах накаливания вольфрамовая спираль накаляется током до яркого свечения.

2. Как можно наблюдать на опыте химическое действие тока?

Химическое действие тока состоит в выделении веществ из растворов при прохождении через
них электрического тока — явление электролиза используется для получения чистых металлов. На опыте это можно продемонстрировать, пропуская ток через раствор медного купороса, получая на отрицательно заряженном электроде чистую медь.

3. Где используют тепловое и химическое действия тока?

Тепловое действие электрического тока используется в различных нагревательных приборах: плитах, утюгах, лампах накаливания, обогревателях воздуха и воды, полов, грелках и т.п. Химическое действие электрического тока используется в промышленном производстве чистых металлов и других веществ электролизом.

4. На каком опыте можно показать магнитное действие тока?

Магнитное действие электрического тока можно продемонстрировать следующим опытом. На железный гвоздь намотать медную проволоку в изоляции, концы которой подсоединить к источнику тока. Когда ток идет, к гвоздю примагничиваются мелкие железные предметы: скрепки, гвоздики, кнопки, как только цепь разрывается, магнитное действие пропадает, все осыпается.

5. Какое действие тока используют в устройстве гальванометра?

В устройстве гальванометра используют явление взаимодействия катушки с током и магнита.

Источник

Гальванометр

Гальвано́метр (от фамилии учёного Луиджи Гальвани и др.-греч. μετρέω «измеряю») — высокочувствительный прибор для измерения малых постоянных и переменных электрических токов. В отличие от обычных микроамперметров шкала гальванометра может быть проградуирована не только в единицах силы тока, но и в единицах напряжения, других физических величин, или иметь условную, безразмерную градуировку, например, при использовании в качестве нуль-индикаторов.

Содержание

История

Отклонение магнитной стрелки под действием тока, протекающего в проводнике было впервые описано Гансом Эрстедом в 1820 году. Это явление рассматривалось, как один из способов измерения электрического тока. Самое раннее упоминание о гальванометре сделал Иоганн Швейгер в университете Галле 16 сентября 1820 года. Термин гальванометр впервые появился в 1836 году по фамилии ученого Луиджи Гальвани.

Ранние гальванометры с подвижным магнитом имели существенный недостаток: любые магниты или железные предметы воздействовали на гальванометр и отклонение стрелки не было прямо пропорционально протекающему току. В 1882 году Жак-Арсен д’Арсонваль и Марсель Депре разработали гальванометр с неподвижным магнитом и движущейся проволочной катушкой, подвешенной на тонких проводах. В железной трубке внутри катушки сосредотачивалось магнитное поле. К катушке прикреплялось легкое зеркало, которое отклоняло луч света под действием тока в катушке. Получившийся гальванометр был очень чувствителен и позволял обнаружить ток силой 10 микроампер.

Эдвард Уэстон усовершенствовал эту конструкцию. Он заменил тонкие провода на спиральные пружины, как в балансом колесе наручных часов. Он разработал метод стабилизации магнитного поля постоянного магнита, так что точность инструмента не уменьшалась с течением времени. Уэстон заменил зеркало на стрелку и использовал плоское зеркало под стрелкой для исключения параллакса при наблюдениях.

В 1888 году Уэстон запатентовал свое устройство, который стал стандартным прибором в электрооборудовании. Такая конструкция и сегодня используется в гальванометрах с подвижной катушкой Долгое время стрелочные гальванометры оставались наиболее массовой разновидностью электроизмерительных приборов.

Принцип действия

Чаще всего гальванометр используют в качестве аналогового измерительного прибора. Он используется для измерения постоянного тока, протекающего в цепи. Гальванометры конструкции д’Арсонваля/Уэстона используемые на сегодняшний день сделаны с небольшой поворачивающейся катушкой, находящейся в поле постоянного магнита. К катушке прикреплена стрелка. Маленькая пружина возвращает катушку со стрелкой в нулевое положение.

Когда постоянный ток проходит сквозь катушку, в ней возникает магнитное поле. Оно взаимодействует с полем постоянного магнита, и катушка, вместе со стрелкой, поворачивается, указывая на протекающий через катушку электрический ток.

Основная чувствительность гальванометра может быть, например, 100 мкА (при падении напряжения, скажем, 50 мв, при полном токе). Используя шунты можно измерять большие токи.

Так как стрелка прибора находится на небольшом расстоянии от шкалы, может возникнуть параллакс. Чтобы его избежать, под стрелкой располагают зеркало. Совмещая стрелку со своим отражением в зеркале, можно избежать параллакса.

Разновидности и устройство

Магнитоэлектрический [1]

Представляет собой проводящую рамку (обычно намотана тонким проводом), закреплённую на оси в магнитном поле постоянного магнита. При отсутствии тока в рамке она удерживается пружиной в некотором нулевом положении. Если же по рамке протекает ток, то рамка отклоняется на угол, пропорциональный силе тока, зависящий от жёсткости пружины и индукции магнитного поля. Стрелка, закреплённая на рамке, показывает значение тока в тех единицах, в которых отградуирована шкала гальванометра.

От прочих конструкций магнитоэлектрическая система отличается наибольшей линейностью градуировки шкалы прибора (в единицах силы тока или напряжения) и наибольшей чувствительностью (минимальным значением тока полного отклонения стрелки).

Электромагнитный

Исторически самая первая конструкция гальванометра. Содержит неподвижную катушку с током и подвижный магнит (в приборах постоянного тока) или сердечник из магнитомягкого материала (для приборов, измеряющих и постоянный, и переменный ток), втягиваемый в катушку или поворачивающийся относительно неё.

Данная конструкция отличается большей простотой, отсутствием необходимости делать катушку возможно меньшего размера и веса (что требуется для магнитоэлектрической системы), отсутствием проблемы подведения тока к подвижной катушке. Однако такие приборы отличаются существенной нелинейностью шкалы (из-за неравномерностей магнитного поля сердечника и краевых эффектов катушки) и соответствующей сложностью градуировки. Тем не менее, применение данной конструкции приборов в качестве амперметров переменного тока относительно большой величины оправдано большей простотой конструкции и отсутствием дополнительных выпрямительных элементов и шунтов. Вольтметры же переменного и постоянного тока электромагнитной системы наиболее удобны для контроля узкого диапазона значений напряжения, так как начальный участок шкалы прибора сильно сжат, а контролируемый участок может быть растянут.

Тангенциальный

Тангенциальный гальванометр состоит из катушки, сделанной из изолированной медной проволоки, намотанной на немагнитную рамку, расположенную вертикально. Рамка может поворачиваться вокруг вертикальной оси, проходящей через ее центр. Компас расположен горизонтально, в центре круговой шкалы. Круговая шкала разделена на четыре квадранта, каждый из которых проградуирован от 0° до 90°. К магнитной стрелке компаса прикреплен длинный алюминиевый указатель. Чтобы избежать ошибок из-за параллакса под стрелкой устанавливают плоское зеркало.

В процессе работы гальванометр устанавливают так чтобы стрелка компаса совпала с плоскостью катушки. Затем к катушке подводят измеряемый ток, который создает магнитное поле на оси катушки, перпендикулярное магнитному полю Земли. Стрелка реагирует на векторную сумму двух полей и отклоняется на угол равный тангенсу отношения этих полей.

Теория

Гальванометр ориентирован так, что плоскость катушки параллельна магнитному меридиану, т.е горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Когда ток проходит через катушку в ней создается магнитное поле, перпендикулярное первому, силой:

Из тангенциального закона, , т.е.

Измерение геомагнитного поля Земли

Тангенциальный гальванометр также можно использовать для измерения горизонтальной составляющей магнитного поля. Для этого низкое напряжение питания, подключают последовательно с реостатом, гальванометром и амперметром. Гальванометр располагают так, чтобы магнитная стрелка была параллельна катушке, при отсутствии в ней тока. Затем на катушку подается напряжение, которое регулируют реостатом до такой величины, чтобы стрелка отклонилась на угол 45 градусов и величина магнитного поля на оси катушки становится равной горизонтальной составляющей геомагнитного поля. Это поле можно рассчитать через ток, измеренный амперметром, число витков катушки и ее радиус.

Электродинамический

В качестве и подвижного, и неподвижного элемента используются катушки с током.

Вибрационный

Вибрационные гальванометры являются разновидностью зеркальных гальванометров. Собственная частота колебаний движущихся частей настроена на строго определенную частоту, обычно 50 или 60 Гц. Возможны более высокие частоты до 1 кГц. Поскольку частота зависит от массы подвижных элементов, высокочастотные гальванометры имеют очень малые размеры. Настройка вибрационного гальванометра осуществляется изменением силы натяжения пружины. Вибрационные гальванометры переменного тока предназначены для определения малых значений силы тока или его напряжения. Подвижная часть подобных приборов имеет достаточно низкий момент инерции. Их наиболее распространенное применение в качестве нуль-индикаторов в мостовых схемах переменного тока и компараторах.Резкий резонанс колебаний в вибрационном гальванометре, делает его очень чувствительным к изменениям частоты измеряемого тока и может быть использован для точной настройки приборов

Тепловой

Апериодический

Прочие элементы и особенности конструкции

Зеркальный гальванометр

Большой точности измерений, а также наибольшей скорости реакции стрелки можно достигнуть, используя зеркальный гальванометр, в котором в качестве указателя используется небольшое зеркальце. Отражённый от него луч света играет роль стрелки. Зеркальный гальванометр был изобретен в 1826 году Иоганном Христианом Поггендорфом. Зеркальные гальванометры широко использовались в науке, до того как были изобретены более надежные и стабильные электронные усилители. Наибольшее распространение они получили в качестве записывающих устройств в сейсмометрах и подводных коммуникационных кабелях. В настоящее время высокоскоростные зеркальные гальванометры используют в лазерных шоу, для того чтобы перемещать лазерные лучи и создавать красочные фигуры в дыму вокруг аудитории. Некоторые виды таких гальванометров применяют для лазерной маркировки разнообразных вещей: от ручных инструментов до полупроводниковых кристаллов.

Применение

Измерительные приборы

Гальванометр является базовым блоком для построения других измерительных приборов. На основе гальванометра можно построить амперметр и вольтметр постоянного тока с произвольным пределом измерения:

Если к гальванометру не подключено никаких дополнительных резисторов, то его можно считать как амперметром, так и вольтметром (в зависимости от того, как гальванометр включен в цепь и как интерпретируются показания).

Экспонометр, термометр

В сочетании с датчиком света (фотодиодом) или температуры (термоэлементом), гальванометр может быть использован в качестве, соответственно, экспонометра в фотографии, измерителя разности температур и т. п.

Баллистический гальванометр

Для измерения заряда, протекающего через гальванометр в виде короткого одиночного импульса, используется баллистический гальванометр, в котором наблюдают не отклонение рамки, а её максимальный отброс после прохождения импульса.

Нуль-индикатор

Гальванометр используется также в качестве указателя (нуль-индикатора) отсутствия тока (напряжения) в электрических цепях. Для этого он обычно исполняется с нулевым положением стрелки посередине шкалы.

Механическая запись электрических сигналов

Гальванометры используется для позиционирования писчиков в осциллографах, например в аналоговых электрокардиографах. Они могут иметь частотный отклик в 100 Гц и отклонение писчиков в несколько сантиметров. В некоторых случаях (у энцефалографа) гальванометры настолько сильны, что двигают писчики, находящиеся в непосредственном контакте с бумагой. Их пишущий механизм может быть основан на жидких чернилах или на подогреве писчиков, двигающихся по термобумаге. В других случаях гальванометры не обязаны быть столь сильными: контакт с бумагой происходит периодически, поэтому требуется меньше усилий на перемещение писчиков.

Оптическая развёртка

Системы зеркальных гальванометров используются для позиционирования в лазерных оптических системах. Обычно это механизмы высокой мощности с частотным откликом свыше 1 кГц.

Современное состояние

В современных условиях аналого-цифровые преобразователи и приборы с цифровой обработкой сигналов и числовой индикацией величин заменяют гальванометры в качестве измерительных приборов, особенно в составе универсальных (Авометров) и в механически сложных условиях работы.

Получение, хранение и обработка данных в компьютерных системах по гибкости значительно превышает все способы фиксации электрических сигналов самописцами на бумаге.

Зеркальные гальванометры также потеряли своё значение в системах развёртки, сначала с появлением электронно-лучевых устройств, а там, где необходимо управление внешним световым потоком — с появлением эффективных пьезоэлектрических устройств и сред с управляемыми свойствами (например, жидких кристаллов). Однако на базе зеркальных гальванометров делаются устройства для отклонения луча лазера в лазерной технологии и установках для лазерных шоу (англ.).

Источник

Гальванометр какое действие электрического тока используется

В электротехнике существуют различные измерительные приборы, с помощью которых можно выполнить замеры силы тока, напряжения и сопротивления. Соответственно, это амперметр, вольтметр и омметр. В некоторых случаях, когда требуется обнаружить и измерить очень малые электрические токи, напряжения и количество электричества, применяется гальванометр, обладающий высокой чувствительностью. Он также указывает на отсутствие напряжения или тока в цепях с различными электрическими параметрами.

Общее устройство и принцип работы

Конструкция простейшего гальванометра, созданного еще в начале 19-го века, включала в себя магнитную стрелку, подвешенную на тонкой нити и помещенную внутрь неподвижной проволочной катушки. При появлении в катушке электрического тока, стрелка начинает отклоняться от своей первоначальной позиции. Если же ток отсутствует, то стрелка будет находиться в одинаковом положении с меридианом этого места. То есть, она показывает нулевую отметку.

Многие гальванометры являются магнитоэлектрическими приборами. В конструкцию стандартного прибора входит постоянный магнит, катушка, установленная между магнитными полюсами, облегченный указатель, соединенный с катушкой и образующий с ней единую ось вращения. Сам указатель фиксируется на нулевой отметке с помощью пружины при отсутствии в катушке электрического тока.

Практически каждый гальванометр имеет один и тот же принцип работы.

Все движения указателя отображаются на шкале, откалиброванной в нужных единицах измерения. Помимо единиц электрического тока, на нее могут быть нанесены и другие величины, например, милливольты. Нередко шкала гальванометра размечается довольно условно.

Принцип действия гальванометра

Гальванометр состоит из постоянного магнита, катушки из провода, которая смонтирована между полюсами магнита; очень легкого указателя, который присоединен к катушке и имеет одну ось вращения с ней; пружины, которая удерживает указатель на нуле, когда в катушке не течет ток.

Когда ток течет через катушку, он создает магнитное поле вокруг нее. Взаимодействие магнитного поля катушки и магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, создает силу, которая заставляет катушку поворачиваться или вращаться. Если магнитное поле катушки достаточно сильно, катушка преодолевает сопротивление пружины и старается расположиться между полюсами постоянного магнита. Когда катушка перемещается, указатель также перемещается. Количество движения катушки и указателя пропорционально количеству тока, протекающего через катушку.

Позади указателя на гальванометре имеется шкала, откалиброванная в единицах измерения электричества. Таким образом, положение указателя на шкале показывает величину измеряемого электрического параметра.

Характеристики и особенности конструкции

Устройства, используемые в цепях постоянного тока, могут быть переносными. Они имеют подвижную рамку, закрепленную на растяжках, встроенную шкалу и указатель стрелочного или светового типа.

Стационарный гальванометр устанавливается по уровню. На рамке закрепляется небольшое зеркальце. Эти приборы оборудуются выносной шкалой, обеспечивающей повышенную чувствительность и световым указателем. Угловое перемещение рамки контролируется положением отраженного от зеркала светового луча, отклоняющегося на шкале. Подобные рамочные устройства используются как нуль-индикаторы. В их помощью в лабораторных условиях проводятся измерения малых токов и напряжений.

Практически каждый гальванометр оборудован магнитными шунтами. Их положение регулируется с помощью ручки, выведенной наружу. За счет этого в рабочем зазоре изменяется величина магнитной индукции. Подобная регулировка позволяет изменять значения измеряемых величин как минимум в три раза в соответствии с требованиями стандартов. В маркировке и технической документации прибора эти величины указываются в обоих крайних положениях шунта – при полном вводе и при полном выводе. В схеме гальванометра предусмотрен корректор, с помощью которого указатель перемещается от нулевой отметки в ту или иную сторону.

Многие устройства оборудованы специальными защитными приспособлениями. В их число входит арретир, фиксирующий подвижную часть на подвесе во время переноски прибора. Высокочувствительные гальванометры требуют защиты от помех. Для стационарных устройств оборудуются специальные фундаменты, предотвращающие механические воздействия. Против утечек тока используется электростатическое экранирование.

Следует отдельно рассмотреть баллистический гальванометр. Данный прибор позволяет измерить количество электричества, передаваемого короткими токовыми импульсами в течение долей секунды. Для того чтобы получить точные данные, необходимо увеличить момент инерции подвижной части за счет установки специального диска.

Типовые конструкции

Все гальванометры по своим конструктивным особенностям могут подразделяться на два основных типа:

Особенности устройства стационарного гальванометра

Если в переносных подвижная рамка фиксируется при помощи растяжек, то в приборах стационарного типа она закреплена на подвесе.

1 – рамка с обмоткой. 2 – подвес. 3 – зеркало. 4 – безмоментная нить.

При подключении стационарного устройства к отрезку электрической цепи с протекающим током, рамка приходит в движение и начинает поворачиваться. Для того чтобы зафиксировать и измерить данный угол поворота, используется зеркало, на которое посредством специальной лампы подается световой луч.

Виды гальванометров

Несмотря на общий принцип работы, данные измерительные устройства отличаются между собой в соответствии с особенностями конструкции каждого из них. Например, магнитоэлектрический гальванометр выдает показания с помощью специальной электропроводящей рамки, закрепленной на оси и помещенной в поле действия постоянного магнита.

В нулевом положении ее удерживает специальная пружина. Когда по рамке протекает ток, происходит ее отклонение на определенный угол. На величину угла оказывает влияние не только сила тока, но и жесткость пружины, а также индукция магнитного поля. Показав высокую чувствительность, эти приборы позволяют получить максимально точные результаты.

Данные измерительные устройства бывают еще нескольких видов:

Что такое гальванометр

Гальванометр – это прибор для измерения параметров электроцепи

, точнее – минимальных значений I, R и количества электричества (при известной постоянной прибора). Чтобы выяснить, какое действие I используется в гальванометре, нужно остановиться на его комплектации.

Когда нужно либо обнаружить, либо замерить величину I крайне небольших значений, применяют гальванометр, обладающий высокой степенью чувствительности. Помимо прямого измерения, он реагирует присутствие или отсутствие I или U на определенном участке цепи.

Принцип работы гальванометра

Принцип работы прибора основан на преобразовании замеряемого I в механическое движение стрелки, которая и показывает присутствие или отсутствие данного параметра.

На передней панели может отсутствовать так называемая шкала делений. В такой ситуации он используется для визуального отображения наличия или отсутствия тока. Именно потому данные устройства часто используют в качестве нуль-индикатора.

Самый первые приборы были созданы почти два века назад Иоанном Швайггером.

Они представляли собой стрелку, выполненную из магнитного материала (часть от компаса), которая висела на тонкой нити и помещалась в прямоугольную рамку, позднее замененную на катушку с намотанным электрическим проводом. При подаче напряжения U на провод рамки происходило отклонение стрелки. При снятии U она возвращалась в свое исходное положение, совместимое с меридианом места установки всей конструкции.

Подобное устройство изначально получило название «мультипликатор», а впоследствии было признано первым гальванометром

Большинство современных приборов являются магнитоэлектрическими приборами, конструкция которых практически не отличается от устройства, изобретенного Швайггером. В своей основе они содержат три элемента:

Все типы имеют практически одинаковый принцип работы, а именно:

Как указывалось выше, шкала либо выполняется без градуировки, либо с условно нанесенными делениями. В таких случаях гальванометр используется как нуль-индикатор.

Классификация гальванометров

Производители выпускают разные гальванометры. Несмотря на то, что все устройства действуют по одному принципу, разработан богатый ассортимент подвидов этого прибора. Различаются они между собой габаритами, конструктивными особенностями, шкалой делений, функциональностью, принципом работы.

По конструктивным решениям гальванометры делят на:

У портативных элементы механизма размещены на растяжках, в зеркальных крепятся на гибком подвесе.

По области применения:

По принципу работы гальванометра:

Магнитоэлектрический гальванометр

Состоит из рамки-проводника, обмотанной проводом с тонким сечением. Рама зафиксирована на стержне в поле стационарного магнита. Указатель, прикрепленный к раме гальванометра, точно измеряет величину электротока в единицах, которыми проградуирована шкала. От других аналогичных приборов магнитоэлектрический отличается высокой чувствительностью.

Электромагнитный

Элементами такого приспособления стали неподвижная катушка под напряжением и лабильный магнит. Последний притягивается к бобине или вращается вокруг нее. Такой прибор обладает непостоянством шкалы. С градуировкой возникают трудности.

Тангенциальный

Гальванометр работает при помощи компаса. В конструкцию входит бобина из медной проволоки, которая намотана на вертикальную намагниченную поворотную рамку.

Электродинамический

В данном случае в роли перемещающегося и стационарного механизмов применены катушки с электрическим током.

Тепловой

Состоит из электропроводника, способного увеличиваться в длину при нагревании, и системы рычагов, трансформирующих удлинение в колебательные движения указателя.

Зеркальный

Прибор обладает минимальной погрешностью измерений. Отраженный в зеркале световой поток заменил в этом приспособлении стрелку шкалы. Чаще всего с помощью скоростных зеркальных гальванометров делают лазерные представления. Это устройство как нельзя лучше подходит для создания эффектной картинки из подвижных цветных лучей.

Вибрационный

Этот прибор — подвид зеркальных. Стало традиционным измерение виброгальванометром явления нуль-индикатора. Отклик к колебательным движениям в этом устройстве наделил его сверхчувствительностью к частотным скачкам тока. В связи с этим инструмент применяют для наладки оборудования, требующего высокой точности настроек.

Основные характеристики гальванометров

Несмотря на простоту устройства подобных приборов, они также имеют основные характеристики и опции, определяющие их действие и чувствительность.

Поскольку в них присутствует подвижная составляющая, ее движение и колебание пропорциональны успокоению, которое можно регулировать посредством подбора внешнего R. В паспорте изделия всегда указывается максимально допустимое внешнее R (критическое). На практике реальное R стараются подобрать как можно ближе к R критическому по значению. Это исключает возможность возникновения колебаний указателя вокруг положения равновесия.

Виды существующих гальванометров

Все имеющиеся приборы можно разделить на несколько основных видов в зависимости от их конструктивного исполнения.

Магнитоэлектрический

Как уже упоминалось выше, по конструктивному исполнению он представляет собой рамку прямоугольной формы с намоткой тонким проводом, помещенную в поле действия магнита (постоянного).

В роли удерживающего устройства используется пружина, которая достаточно жестко фиксирует своеобразную катушку (рамку) в нейтральном (нулевом) положении.

При подаче напряжения через провод начинает протекать I, в результате чего происходит отклонение рамки на фиксированный угол, определяющийся следующими параметрами:

По отклонению указывающего элемента и определяют значение протекающего I. Данные механизмы достаточно популярны, так как отличаются большим коэффициентом чувствительности.

Электромагнитный

Считаясь наиболее простым по своей конструкции среди аналогичных, электромагнитный прибор включает:

При подаче I на провод катушки сердечник начинает поворачиваться или втягиваться в нее и, соответственно, сдвигает указатель на шкале.

Подобный вид активно используется для измерения малых величин I AC, однако его погрешность достаточно велика. Это связано с нелинейностью шкалы, что приводит к значительным трудностям при его градуировке.

Тангенциальный

Основным устройством, используемым в данном типе, является обычный компас.

Благодаря ему прибор сравнивает два вида поля (магнитных):

Сам гальванометр работает по принципу тангенциального закона магнетизма (угол наклона стрелки магнита (тангенс) пропорционален отношению магнитных полей, направленных под углом 90 друг к другу).

В нем также имеется катушка с медной обмоткой, выполненная в виде рамки. При подаче I рамка, которая располагается строго вертикально, начинает проворачиваться вокруг своей центральной оси.

В самом центре на градуированной шкале расположен компас, на стрелке которого закреплен алюминиевый указатель, при этом он должен совпадать с плоскостью обмотки. При подаче электрического I он наводит магнитное поле на оси соленоида, располагающееся строго перпендикулярно магнитному полю Земли. Под действием двух полей указатель компаса начинает двигаться и поворачиваться на угол, который и равен тангенсу соотношения поля Земли и наведенного I. В пропорции этого отклонения и градуируется шкала.

Электродинамический

В приборе имеются катушки, выполняющие одновременно роль как подвижных, так и статических элементов.

Принцип его действия базируется на воздействии стального магнита на проводник с I. Если тонкий натянутый провод расположить вертикально, а вблизи его середины разместить стальной магнит, то при подаче электрического тока на проводник будет наблюдаться его отклонение даже при незначительной величине I.

На основании подобного закона и были созданы так называемые струнные устройства, которые в настоящее время нашли широкое применение в лабораторной технике.

Зеркальный

Относится к наиболее чувствительным, точным и быстрым из всех представленных видов приборов.

Состоит из зеркала, на которое подается световой луч. Само измерение производится за счет угла поворота рамки с намотанной на нее обмоткой. С учетом того, что поворот рамки достаточно мал, посредством оптического эффекта, создаваемого световым лучом, можно получить отражение от зеркала падающего луча на специальную градуированную шкалу.

Если при подаче I рамка разворачивается на угол, сам луч уже образует угол 2, а световое пятно смещается на определенное количество делений (на шкале). То есть, прибор настраивается так, что угол поворота самой рамки оказывается прямо пропорциональным числу делений.

Вибрационный

Данное устройство отличается малыми габаритами и применяется, как правило, в качестве нуль-индикатора. Подобные типы бывают двух видов:

Все они оснащены петлей или рамкой, находящейся в сильном магнитном поле и настраиваются посредством натяжения удерживающей пружины. Отличительной особенностью данных устройств является очень высокая чувствительность, позволяющая измерять минимальные значения I.

Тепловой

Включает в себя два основных элемента:

При подаче электрического тока за счет своего материала проводник начинает удлиняться, а рычажная система преобразует изменение в движение указателя, с которым она связана механически.

Апериодический

Данный вид прибора отличает то, что указатель на шкале все время возвращается в свое первоначальное, исходное положения после каждого проведения измерений без каких-либо колебаний.

Баллистический

Чтобы измерить количество электричества (потокосцепления) в импульсах I, применяют баллистические гальванометры.

Отличительной особенностью в них является то, что подвижная часть устройства имеют больший момент инерции. Это означает, что время импульса I должно быть в разы меньше, чем Т колебаний рамки.

Применение гальванометров

Гальванометр применяется не только как самостоятельный прибор, показывающий малые значения, I, U или выполняющего роль нуль-индикатора, но и также как основной блок многих других измерительных приборов. Ниже будет подробно рассказано о каждом из таких вариантов использования.

1. Как амперметр или вольтметр, а именно:

Таким образом, даже при отсутствии подключенного сопротивления прибор может выполнять как функцию амперметра, так и вольтметра в зависимости от подключения его к интересующему участку цепи.

2. Как термометр или экспонометр:

3. Как измеритель заряда.

Для данной цели применяют баллистический гальванометр. Он позволяет измерить одиночный импульс заряда, так как после его протекания через прибор происходит резкий отброс внутренней рамки.

Как правильно использовать?

Гальванометры можно с уверенностью назвать целым классом измерительного оборудования, характеризующегося максимальным уровнем точности и используемого для исследований величины электрического тока, проходящего через проводники, а также других его параметров. За счёт широкого ассортимента моделей и их функциональных возможностей эти измерительные приборы успешно эксплуатируются на производстве, в быту и в лабораторных условиях. При этом простейшее устройство можно изготовить своими руками.

Гальванометр работает как в качестве самостоятельного оборудования, отображающего параметры малых токов или выполняющего функции нуль-индикаторов, так и в виде основного блока других приборов. Так, существует вариант использования описываемой техники в качестве амперметра и вольтметра. Для этого потребуется:

Помимо указанных вариантов, гальванометры способны эффективно выполнять функции других приборов.

На данный момент аналоговые конструкции активно сдают свои позиции, уступая место современным, цифровым устройствам. В соответствии с актуальными статистическими данными, наиболее распространёнными сейчас являются зеркальные гальванометры. Они до сих пор достаточно широко эксплуатируются в качестве элементов различных лазерных установок. Это обусловлено их способностью отклонять лучи лазера.

Независимо от типа измерительного оборудования, его конструкции и функциональных возможностей, к его эксплуатации следует подходить грамотно. Параллельно требуется помнить о технике безопасности, поскольку речь идёт о работе с электрическим током. Не менее важными моментами будут правила хранения и обслуживания приборов, закреплённые в соответствующих инструкциях.

В следующем видео вы подробно узнаете о том, что такое вертикальный гальванометр и какие его принципе работы.

История

Отклонение магнитной стрелки под действием тока, протекающего в проводнике было впервые описано Гансом Эрстедом в 1820 году. Это явление рассматривалось, как один из способов измерения электрического тока. Самое раннее упоминание о гальванометре сделал Иоганн Швейгер в университете Галле 16 сентября 1820 года. Термин гальванометр впервые появился в 1836 году по фамилии ученого Луиджи Гальвани.

Первоначально в инструментах использовалась сила магнитного поля Земли и они назывались тангенциальными гальванометрами. Перед работой их необходимо было ориентировать в пространстве. Позже был разработан астатический гальванометр, в котором использовались противоположно направленные магниты для того, чтобы исключить влияние магнитного поля Земли. Наиболее чувствительный гальванометр — гальванометр Томсона или зеркальный гальванометр был изобретен Уильямом Томсоном(Лордом Кельвином) и запатентован им в 1858 году. Вместо магнитной стрелки он использовал легкое маленькое зеркало с магнитной пылью, подвешенное на нити. Под действием даже небольших токов зеркало отклоняло луч света, играющего роль стрелки.

Ранние гальванометры с подвижным магнитом имели существенный недостаток: любые магниты или железные предметы воздействовали на гальванометр и отклонение стрелки не было прямо пропорционально протекающему току. В 1882 году Жак-Арсен д’Арсонваль и Марсель Депре разработали гальванометр с неподвижным магнитом и движущейся проволочной катушкой, подвешенной на тонких проводах. В железной трубке внутри катушки сосредотачивалось магнитное поле. К катушке прикреплялось легкое зеркало, которое отклоняло луч света под действием тока в катушке. Получившийся гальванометр был очень чувствителен и позволял обнаружить ток силой 10 микроампер.

Эдвард Уэстон усовершенствовал эту конструкцию. Он заменил тонкие провода на спиральные пружины, как в балансом колесе наручных часов. Он разработал метод стабилизации магнитного поля постоянного магнита, так что точность инструмента не уменьшалась с течением времени. Уэстон заменил зеркало на стрелку и использовал плоское зеркало под стрелкой для исключения параллакса при наблюдениях.

В 1888 году Уэстон запатентовал свое устройство, который стал стандартным прибором в электрооборудовании. Такая конструкция и сегодня используется в гальванометрах с подвижной катушкой Долгое время стрелочные гальванометры оставались наиболее массовой разновидностью электроизмерительных приборов.

История изобретения гальванометра

История создания гальванометра тесно связана с открытием понятия «электромагнитная индукция» и работой целой плеяды великих учёных мира, которые создавали новые варианты прибора и усовершенствовали его. Но о трёх эпохальных личностях в мире физики и гальванометров необходимо сказать отдельно:

Датский учёный Ханс Кристиан Эрстед 15 февраля 1820 года, проводя эксперимент на лекции по электричеству, пропускал электрический ток через проводник, который лежал сверху корабельного компаса. В результате в момент включения цепи стрелка компаса отклонялась от своего начального положения. Проведя несколько аналогичных опытов с другими металлами и разным значением силы тока, Эрстед фактически доказал существование магнитного поля и электромагнитной индукции. А сам эксперимент (проводник, магнитная стрелка и источник питания) был заложен в основу первого гальванометра.

Луиджи Гальвани исследовал электричество, проходящее в живых и физически мёртвых организмах. Впоследствии на основе изучения «возвратного» удара были заложены условия для возникновения «гальванизма» — явления генерирования мышечных сокращений во время пропускания электрического тока. Это дало возможность создать и исследовать первые электрические индукции.

Майкл Фарадей в далёком 1831 году в конце августа (29), будучи в своей лаборатории, исследовал протекание электрического тока в проводнике и экспериментально доказал существование электромагнитной индукции, используя гальванометр для обнаружения этого явления. Которое перевернуло всю физику и фундаментальные законы природы, а именно наличие электромагнитного поля и индукции доказало существование нового вида материи.

Принцип действия

Чаще всего гальванометр используют в качестве аналогового измерительного прибора. Он используется для измерения постоянного тока, протекающего в цепи. Гальванометры конструкции д’Арсонваля/Уэстона используемые на сегодняшний день сделаны с небольшой поворачивающейся катушкой, находящейся в поле постоянного магнита. К катушке прикреплена стрелка. Маленькая пружина возвращает катушку со стрелкой в нулевое положение.

Когда постоянный ток проходит сквозь катушку, в ней возникает магнитное поле. Оно взаимодействует с полем постоянного магнита, и катушка, вместе со стрелкой, поворачивается, указывая на протекающий через катушку электрический ток.

Основная чувствительность гальванометра может быть, например, 100 мкА (при падении напряжения, скажем, 50 мв, при полном токе). Используя шунты можно измерять большие токи.

Так как стрелка прибора находится на небольшом расстоянии от шкалы, может возникнуть параллакс. Чтобы его избежать, под стрелкой располагают зеркало. Совмещая стрелку со своим отражением в зеркале, можно избежать параллакса.

Разновидности и устройство

Магнитоэлектрический [1]

Представляет собой проводящую рамку (обычно намотана тонким проводом), закреплённую на оси в магнитном поле постоянного магнита. При отсутствии тока в рамке она удерживается пружиной в некотором нулевом положении. Если же по рамке протекает ток, то рамка отклоняется на угол, пропорциональный силе тока, зависящий от жёсткости пружины и индукции магнитного поля. Стрелка, закреплённая на рамке, показывает значение тока в тех единицах, в которых отградуирована шкала гальванометра.

От прочих конструкций магнитоэлектрическая система отличается наибольшей линейностью градуировки шкалы прибора (в единицах силы тока или напряжения) и наибольшей чувствительностью (минимальным значением тока полного отклонения стрелки).

Электромагнитный

Исторически самая первая конструкция гальванометра. Содержит неподвижную катушку с током и подвижный магнит (в приборах постоянного тока) или сердечник из магнитомягкого материала (для приборов, измеряющих и постоянный, и переменный ток), втягиваемый в катушку или поворачивающийся относительно неё.

Данная конструкция отличается большей простотой, отсутствием необходимости делать катушку возможно меньшего размера и веса (что требуется для магнитоэлектрической системы), отсутствием проблемы подведения тока к подвижной катушке. Однако такие приборы отличаются существенной нелинейностью шкалы (из-за неравномерностей магнитного поля сердечника и краевых эффектов катушки) и соответствующей сложностью градуировки. Тем не менее, применение данной конструкции приборов в качестве амперметров переменного тока относительно большой величины оправдано большей простотой конструкции и отсутствием дополнительных выпрямительных элементов и шунтов. Вольтметры же переменного и постоянного тока электромагнитной системы наиболее удобны для контроля узкого диапазона значений напряжения, так как начальный участок шкалы прибора сильно сжат, а контролируемый участок может быть растянут.

Тангенциальный

Тангенциальный гальванометр — один из первых гальванометров, использовавшихся для измерения электрического тока. Он работает с помощью компаса, который используется для сравнения магнитного поля создаваемого неизвестным током с магнитным полем Земли. Свое название он получил от тангенциального закона магнетизма, в котором говорится, что тангенс угла наклона магнитной стрелки пропорционален соотношению сил двух перпендикулярных магнитных полей. Впервые это было описано Клодом Пулье в 1837 году.

Тангенциальный гальванометр состоит из катушки, сделанной из изолированной медной проволоки, намотанной на немагнитную рамку, расположенную вертикально. Рамка может поворачиваться вокруг вертикальной оси, проходящей через ее центр. Компас расположен горизонтально, в центре круговой шкалы. Круговая шкала разделена на четыре квадранта, каждый из которых проградуирован от 0° до 90°. К магнитной стрелке компаса прикреплен длинный алюминиевый указатель. Чтобы избежать ошибок из-за параллакса под стрелкой устанавливают плоское зеркало.

В процессе работы гальванометр устанавливают так чтобы стрелка компаса совпала с плоскостью катушки. Затем к катушке подводят измеряемый ток, который создает магнитное поле на оси катушки, перпендикулярное магнитному полю Земли. Стрелка реагирует на векторную сумму двух полей и отклоняется на угол равный тангенсу отношения этих полей.

[Энциклопедический Словарь ] | [Библиотека «Вехи»]
Гальванометр

— прибор для измерения силы гальванического или вообще электрического тока, основанный на наблюдении магнитных действий, производимых этим током. В 1820 г. датский ученый Эрстед (Oersted) впервые обнаружил влияние проволоки, соединяющей два полюса батареи из двадцати элементов (медь, цинк и подкисленная серной и азотной кислотами вода), на положение магнитной стрелки, находящейся поблизости от этой проволоки. Под влиянием особого электрического процесса, происходящего при этом в проволоке, процесса, названного Эрстедом «conflictus electricus» и только затем уже Ампером названного «электрическим током» (le courant é lectrique), магнитная стрелка отклоняется из положения своего равновесия в магнитном меридиане и устанавливается в новом положении, составляющем с первоначальным тем больший угол, чем ближе стрелка к проволоке и чем меньший угол образует направление последней с осью стрелки в её неотклоненном положении. Сочинение Эрстеда помечено 20 июля 1820 г. Меньше чем через два месяца после этого (18 сентября и затем 25 сентября) Ампер представил уже во французскую академию результаты своих исследований, в которых не только обстоятельно проверил и изучил факт, найденный Эрстедом, но и показал существование целого ряда новых явлений: действие проводника с током на другой проводник с током, действие земли на проводник с током и, наконец, действие на последний магнита. При этом Ампер дал и теорию всех открытых им и Эрстедом явлений, рассматривая магнит как собрание весьма малых замкнутых токов, окружающих частицы железа. В своем сочинении, содержащем описание опытов над подобными действиями тока, Ампер дает легко запоминаемое правило, по которому для всякого данного случая является возможным определить направление отклонения магнитной стрелки от действия тока: для наблюдателя, вообразившего себя расположенным по направлению тока так, что ток идет от ног к голове, и смотрящим на северный конец стрелки, отклонение этого конца представляется всегда влево.

Ампер предложил назвать прибор, основанный на этом действии тока и способный указывать направление тока и его силу, —
гальванометром.
Но гальванометр Ампера не составляет еще отдельного прибора. Продолговатый гальванический элемент, расположенный своей длиной приблизительно в магнитном меридиане с магнитной стрелкой над ним, или часть проволоки, идущей от полюса элемента к другому его полюсу, протянутая горизонтально над стрелкой или под ней — вот, по Амперу,
гальванометр.
Первый прибор гальванометр (точнее — гальваноскоп), или, как его назвали в то время,
мультипликатор,
был устроен в том же году (1820) Швейгером. Мультипликатор Швейгера в первоначальном виде представлял собой один незамкнутый оборот проволоки вокруг магнитной стрелки, помещенный в вертикальной плоскости так, что стрелка приходилась в плоскости этого оборота. Концы проволоки вводились в цепь тока, и затем наблюдалось отклонение стрелки от действия этого тока. Впоследствии Швейгер и независимо от него Поггендорф устроили мультипликатор, обнаруживавший более слабые токи. Такой мультипликатор состоял из катушки тонкой изолированной проволоки, правильно намотанной на особой деревянной рамке и помещенной плоскостями своих оборотов вертикально; в середине внутри катушки находилась магнитная стрелка, подвешенная на шелковинке. Позже стали употреблять в этих приборах астатическую систему магнитных стрелок. Астатическая система — это две почти одинаковые магнитные стрелки, расположенные параллельно на некотором расстоянии одна над другой и обращенные противоположными полюсами в одну сторону. Обе стрелки скреплены вместе при помощи вертикальной проволочки. Они подвешиваются на шелковинке так, что нижняя стрелка приходится внутри катушки мультипликатора, верхняя над ней. При прохождении по катушке тока обе стрелки испытывают действие тока в одну сторону, земля же, как магнит, действует на ту и другую стрелку прямо противоположно. Таким образом, при употреблении подобной системы двух стрелок при увеличенном отклоняющем действии тока противоположное действие земного магнетизма, стремящееся возвратить эти стрелки в первоначальное их положение, получается значительно ослабленным; вследствие этого астатическая система стрелок является более чувствительной к току, чем одна магнитная стрелка. В мультипликаторе катушка может поворачиваться около вертикальной оси, что представляется нужным для градуирования этого прибора, т. е. для определения значения показаний его. Отклонение стрелок из их первоначального положения при прохождении тока наблюдается при помощи особого горизонтального кружка, разделенного на градусы. Первый гальванометр, при посредстве которого сила тока непосредственно измерялась по углу производимого им отклонения магнитной стрелки, а именно сила тока была пропорциональна тангенсу этого угла, — был устроен в 1833 г. профессором Гельсингфорского университета Нервандером. Катушка, по которой проходил ток в этом гальванометре, была намотана на низеньком вертикальном цилиндре с сечением в виде круга, причем проволока шла параллельно хордам на основаниях цилиндра и параллельно оси на его боковой поверхности. Магнитная стрелка, подвешенная на шелковинке, помещалась в середине этого цилиндра. Сам цилиндр с оборотами проволоки устанавливался плоскостями этих оборотов в магнитном меридиане. Нервандер нашел из опытов, что тангенс угла отклонения стрелки прямо пропорционален силе тока, проходящего через прибор, когда отклонение не превосходило известного для каждого экземпляра прибора предела. Позднее Нервандер устроил другого вида гальванометр. В этом гальванометре на магнитную стрелку действовала катушка, приготовленная на горизонтальном цилиндре и помещенная под стрелкой перпендикулярно магнитному меридиану. Употребляемые в настоящее время гальванометры можно разделить на три группы: 1) гальванометры для точного определения силы тока в абсолютных единицах, а также для сравнения между собой не очень малой силы токов; 2) гальванометры для обнаруживания и сравнения между собой очень слабых токов, и 3) Г. технические. В основе определения силы тока при помощи гальванометра лежит закон действия элемента проводника с проходящим по нему током на магнитный полюс — закон, впервые сформулированный в 1828 г. Ампером после опытов Био и Савара над взаимодействием токов и магнитов. Закон Ампера заключается в следующем. Всякий элемент проводника с током действует на магнитный полюс по направлению нормали к плоскости, проходящей через полюс и элемент проводника с силою:

— сила тока в проводнике, выраженная в произвольной единице,
m —
количество магнетизма в полюсе, также в произвольной единице,
r
— расстояние между элементом проводника
ds
и полюсом, (
r,
ds)
— угол, составляемый линией r
с элементом
ds,
и
k
— коэффициент, зависящий от выбранных единиц для силы тока, магнетизма и расстояния. Принимая для меры количества магнетизма абсолютную электромагнитную единицу, для единицы силы — дин и для единицы длины — сантиметр и полагая
k
= 1, получаем силу тока, выраженную в абсолютной электромагнитной единице (см. Единицы мер). Пользуясь законом Ампера, легко определить действие, испытываемое полюсом магнитной стрелки от тока, проходящего по вертикальному круговому проводнику или по катушке, плоскости оборотов которой вертикальны и для которой известны число и размеры отдельных оборотов. С другой стороны, нетрудно найти действие земного магнетизма на этот полюс, когда под влиянием тока магнитная стрелка отклонится от своего положения в магнитном меридиане и образует своей осью некоторый угол с направлением последнего. При равновесии в новом положении стрелки отклоняющее действие тока и противоположное действие на нее земного магнетизма должны быть равны друг другу. Из этого равенства двух подобных действий на полюс стрелки и получается возможность числового определения силы тока, произведшей отклонение стрелки. В наиболее простом случае, когда проводник, по которому идет ток, имеет форму круга, плоскость которого совпадает с плоскостью магнитного меридиана и радиус равен
R
, магнитная же стрелка очень короткая (по крайней мере в 10 — 12 раз меньше диаметра круга) и помещена в середине кругового проводника, то при отклонении магнитной стрелки от магнитного меридиана на угол α, полюс этой стрелки испытывает от тока действие, под влиянием которого стрелка стремится отклоняться дальше, равное:
(2 π /R)(mi
cos α), и тот же полюс при этом испытывает действие земного магнетизма, возвращающего стрелку назад в магнитный меридиан, равное
Hm
sin α; здесь
H — горизонтальная составляющая
силы земного магнетизма (см. Земной магнетизм),
m —
количество магнетизма в полюсе стрелки. Итак, для равновесия необходимо:

Зная радиус кругового проводника R,

определив предварительно опытом
H
и наблюдая угол отклонения магнитной стрелки α, мы вычисляем по этой формуле силу тока
i
в абсолютных единицах. Устроенный согласно сказанному Г. называется
абсолютным Г.
В таких абсолютных Г., как и в Г. второй группы, магнит обычно подвешивается на коконовой нити, отклонение же его наблюдается при посредстве соединенного с магнитом легкого зеркальца, которое или отражает на горизонтальную шкалу пучок лучей света, или же отражает в зрительную трубу деления расположенной на некотором раcстоянии перед ним горизонтальной шкалы (см. Измерение углов, способ Гаусса-Поггендорфа). Абсолютный Г. был устроен Вебером, который первый начал измерять силу тока в абсолютных единицах.

Для измерения более слабых токов вместо одного оборота проволоки употребляют иногда в абсолютных Г. несколько оборотов.

Г., предназначаемые для сравнения токов, обычно устраиваются с катушкой, составленной из большого или малого числа оборотов, причем эти обороты располагаются в несколько слоев. Для токов достаточно сильных катушка изготавливается из толстой проволоки и число оборотов берется не особенно большое, для токов же более слабых катушка делается из тонкой проволоки и число оборотов в ней берется большое. В первом случае сопротивление Г. может быть малое, во втором — большое. Не зная точно размеров и положения оборотов, нельзя вычислить и действие, испытываемое полюсом магнита от тока, проходящего по катушке; это действие, однако, во всяком случае пропорционально силе тока, как это следует из закона Ампера. Если катушка расположена своими оборотами в магнитном меридиане, стрелка же магнитная очень коротка и находится в центре этой катушки, то при отклонении этой стрелки от магнитного меридиана на угол α будет также:

sin α, где
G —
величина, определяющаяся размерами и формой катушки; это
постоянная
гальванометра. Из приведенной формулы имеем:

т. е. сила тока пропорциональна тангенсу угла отклонения стрелки.

Такой Г. назван Пулье
тангенс-буссолью
.

Обычно опытом определяют величину коэффициента С

(переводный множитель), наблюдая одновременно угол отклонения α в Г. и измеряя силу тока в абсолютных единицах при помощи вольтметра. Зная
С,
очевидно, возможно вычислять по углу α силу тока в абсолютных единицах.

В прежнее время довольно часто употребляли другой прием измерения тока. При отклонении стрелки от магнитного меридиана поворачивали за стрелкой около вертикальной оси катушку гальванометра до тех пор, пока снова стрелка не приходилась в плоскости оборотов катушки. Если назовем замеченный при этом угол поворота катушки через β, то при равновесии стрелки, отклоненной также на угол β, будет:

в котором, следовательно, возможно определить угол поворота катушки, носит название
cинуc-буссоли
(Пулье). Применение синус-буссоли возможно лишь до известной силы тока. Выгода этого метода та, что при нем нет надобности брать стрелку очень короткой. Формула 3 справедлива при любой длине стрелки, формула же 2 относится лишь к случаю очень короткой стрелки. Фигура 1-я (таблица Гальванометры) изображает весьма удобную форму Г. Этот Г. может употребляться и как тангенс-буссоль, и как синус-буссоль. Г. этот — конструкции Сименса.

ГАЛЬВАНОМЕТРЫ [Объяснения см. в тексте]

Фигура 2-ая таблицы представляет гальванометр Видемана, относящийся ко 2-й группе. В этом гальванометре ток проходит по двум катушкам, расстояние которых до магнита может изменяться; катушки передвигаются на салазках. Магнит в форме кольца (А)

подвешен вместе с зеркальцем
(m)
на коконовой нити (
f
изображено отдельно, налево). Магнит находится в углублении, сделанном в шаре из красной меди (
s
). Присутствие около магнита массы хорошо проводящего металла имеет назначение успокаивать колебания магнита действием развивающихся в металле при движении магнита индукционных токов. При подобных
«успокоителях»,
имеющих форму шара, и при магнитах наподобие колокола со срезанными двумя боками в гальванометрах Сименса достигается то, что приведенный в движение магнит сразу устанавливается в определенном положении, не совершая около него колебаний. Такие гальванометры называются
апериодическими.
В гальванометре Видемана и других подобных отклонение магнита наблюдается при посредстве соединенного с магнитом зеркальца.

Вычисление показало, что гальванометр будет более чувствителен, т. е. будет в состоянии обнаруживать более слабые токи, когда размеры его катушки невелики и когда, самое главное, магнит весьма близок к оборотам катушки. Фигура 3-я таблицы изображает весьма чувствительный астатический гальванометр Томсона, удовлетворяющий сказанным условиям. В этом гальванометре две пары катушек очень тонкой проволоки и с большим числом оборотов. Одна пара катушек внизу, другая пара наверху. На алюминиевой проволочке, подвешенной на короткой коконовой нити, укреплена астатическая система магнитов. В этой системе две отдельные системы маленьких магнитиков, изготовляемых из очень коротких стальных пружинок. В каждой такой системе 3 или 4 магнитика обращены одноименными полюсами в одну сторону. Магнитики одной системы полюсами своими расположены противоположно магнитикам другой системы. Каждая такая система находится в отверстии, имеющемся в центре двух сложенных вместе катушек. Одна система магнитиков (на фиг. верхняя) прикреплена к задней стороне легкого зеркальца. Благодаря астатической системе магнитиков действие земного магнетизма на все магниты значительно ослабляется. Еще более можно ослабить действие земного магнетизма, помещая соответственным образом наверху гальванометра магнит. Этот магнит (астазирующий)

можно опускать или поднимать, через что изменяется его влияние на подвешенную систему, т. е. увеличивается или уменьшается чувствительность гальванометра.

В гальванометре Томсона возможно ток пропускать по катушкам так, что обе пары катушек действуют в одну сторону на находящиеся внутри их магнитики. Возможно и иное пользование таким гальванометром: пропускают один ток по одной паре катушек (например, нижней), другой по другой паре (верхней), причем действие этих пар катушек на их магнитики будет прямо противоположно. В таком виде употребляемый гальванометр называется дифференциальным.

Гальванометр Видемана также возможно употреблять как дифференциальный.

Астатический гальванометр Томсона — очень чувствительный прибор. С подобным гальванометром, сопротивление четырех последовательно соединенных катушек которого около 5000 Ом, возможно мерить ток силой в 0,00000000002 Ампера. Ныне изготавливаются такого же типа гальванометры, сопротивление катушек которых равняется 100000 и более Ом. Эти гальванометры обнаруживают токи еще более слабые.

При измерении кратковременных токов (индукционных) в гальванометре приходится наблюдать лишь угол, на который током отбрасывается магнит. Теория показывает, что сила такого тока (точнее — количество протекшего через гальванометр электричества) пропорциональна sin(θ/2), где θ — угол, на который отброшен магнит. Для большего удобства в наблюдении угла отбрасывания магнита последний, т. е. магнит, берут в таком случае тяжелым. Подобный гальванометр называется баллистическим

Кроме различных видоизменений описанных гальванометров, употребляются еще для измерения не очень слабых токов гальванометры, устроенные по идее Гогена, в которых тангенс угла отклонения магнита много ближе к пропорциональности силы тока, чем в обыкновенных тангенс-гальванометрах, когда длина магнита взята не очень малая по сравнению с радиусом оборотов обмотки. В гальванометрах Гогена обмотка из изолированной проволоки накладывается на поверхности усеченного конуса плоскостями оборотов перпендикулярно к оси его, магнитная же стрелка своей серединой помещается в вершине такого конуса; сам конус имеет радиус основания в 2 раза больше его высоты. Как показывает вычисление, при такой форме катушки, производящей отклонение магнитной стрелки, длина стрелки имеет меньшее значение на зависимость между силой тока (i

) и тангенсом угла (α) отклонения стрелки, почему закон тангенсов, т. е.
i
=
C
tg α, представляется в данном случае более строгим, чем при обыкновенной цилиндрической катушке. Оставляя в стороне описание других типов гальванометров, употреблявшихся прежде, да еще отчасти и теперь употребляемых на практике, например, в телеграфии, основанных, главным образом, на уравновешивании действия тока на магнит действием на него силы тяжести (таков, например, употребляемый в аудиториях гальванометр Бурбуза, напоминающий весы, или вертикальный телеграфный гальванометр), перейдем к рассмотрению современных технических гальванометров, показывающих непосредственно силы токов в амперах и называющихся
амперметрами
или, более кратко,
амметрами.
Обыкновенные гальванометры, в которых отклоненный магнит стремится вернуться в определенное положение под влиянием силы земного магнетизма, непригодны на практике в помещениях, в которых находятся динамо-машины. Электромагниты этих машин сильно действуют на положение магнита гальванометра даже при значительном удалении последнего от них. Вследствие этого нужны приборы, построенные на другом принципе. Существующие в настоящее время амметры можно разделить на несколько отдельных категорий. К первой категории можно отнести те амметры, в которых ток, проходящий по катушке, состоящей из большего или меньшего числа оборотов проволоки, смотря по силам тока, для измерения которых предназначается прибор, действует на намагниченную стрелку (или на систему из нескольких намагниченных стрелок), вращающуюся на оси и находящуюся между полюсами сильного постоянного подковообразного магнита. Магнитное поле, существующее между полюсами такого магнита, действует на стрелку, стремясь установить ее по направлению линий сил, т. е. по направлению линии, соединяющей полюса магнита. Катушка, окружающая собой стрелку, помещается так, что ток, напротив, стремится установить стрелку перпендикулярно к этому направлению. При различных силах тока (между известными пределами для каждого прибора) стрелка будет устанавливаться в подобном магнитном поле под углом к направлению линий сил тем большим, чем больше сила проходящего по катушке тока. Положение стрелки определяется указателем, соединенным с ней и вращающимся над шкалой, деления которой расположены по дуге круга. Пропуская одновременно различной силы ток через амметр и вольтметр, определяют по вольтметру в амперах значения делений шкалы, т. е. градуируют амметр. В таких приборах стрелка обычно железная. Она намагничивается действием самого магнитного поля, т. е. подковообразным магнитом. При употреблении сильного подковообразного магнита его действие на стрелку настолько велико, что влияние на нее даже вблизи стоящей динамо-машины оказывается вполне незаметным. Такой тип гальванометра, или амперметра, был впервые придуман Марселем-Депре. На фиг. 5 изображен подобного типа амметр, устраиваемый ныне механиком Карпантье. В этом амметре, как видно на рисунке, изображающем внутренность прибора, употребляются два подковообразных магнита, помещенные так, что их одноименные полюса находятся рядом. Недостаток амметров этой категории тот, что со временем изменяется степень намагничивания магнитов и потому без новой градуировки показания прибора делаются неверными.

Амметры второй категории основаны на свойстве катушки, по которой проходит ток, втягивать внутрь себя железный стержень или железную трубку. Это втяжение, если только железо до насыщения

намагничивается током наиболее слабым из тех, которые должны измеряться данным прибором, будет происходить с силой, пропорциональной силе тока, проходящего по катушке. В приборах этой категории сила втяжения внутрь катушки железной тонкой трубки определяется или растяжением спиральной пружины, поддерживающей трубку (амметр Кольрауша), или вращением свободного конца свернутой по винтовой линии металлической узкой ленты (амметр Айртона и Перри). Амметры третьей категории основаны на повороте действием проходящего по катушке тока эксцентрично помещенного внутри этой катушки железного незамкнутого кольца или иной формы искривленного тонкого железа. Противодействие току оказывает в этих приборах тяжесть вращающейся части. Фигура 7 показывает внешний вид одного из этой категории амметра. Фиг. 6 изображает на подобном же принципе устроенный вольтметр. Амметры второй и третьей категорий могут служить для измерения силы токов как постоянного направления, так и переменного. Для токов переменного направления устраиваются еще амметры, основанные на удлинении проволоки вследствие нагревания её от проходящего по ней тока. В. Томсон устроил амметр (нормальный), основанный на взаимодействии проводников с токами. На особом коромысле весов укреплена катушка, под ней помещается другая, неподвижная. Сила тока определяется величиной притяжения первой катушки второю, когда через обе эти катушки проходит ток. Притяжение же измеряется кручением проволоки, удерживающей коромысло. Для различной силы токов назначаются различные подобные амметры-весы. Существующие амметры соответствуют токам всевозможной силы. Есть амметры, измеряющие тысячные доли ампера (миллиамперы), но есть амметры, при посредстве которых возможно определять и тысячи ампер. Заслуживает внимания в виду большего своего удобства особого типа
гальванометр-амметр
устроенный Дарсонвалем. Фиг. 4 изображает этот прибор. В гальванометре Дарсонваля, в противоположность обыкновенным гальванометрам, магнит неподвижен, катушка же, по которой проходит исследуемый ток, может поворачиваться около вертикальной оси. Стальной подковообразный магнит
(А)
укреплен вертикально; между полюсными частями этого магнита находится железный цилиндр
(b)
, поддерживаемый особой стойкой. Этот цилиндр имеет назначение увеличивать напряжение магнитного поля между полюсными поверхностями магнита (см. Магнитное поле). Цилиндр
В
окружен четырехугольной рамкой
(С)
, составленной из оборотов проволоки. Эта рамка поддерживается двумя вертикальными, натянутыми тонкими проволоками, с которыми соединены концы проволоки рамки. Ток, вступая в один из зажимов (показанных на рисунке внизу на деревянном основании прибора), через нижнюю вертикальную проволоку входит в рамку, из неё в верхнюю вертикальную проволоку и затем через медную стойку в другой зажим. При прохождении тока по оборотам рамки магнит стремится повернуть эту рамку и установить ее плоскостями оборотов перпендикулярно линии, соединяющей полюса магнита. Этому повороту противодействует происходящее при этом закручивание двух проволок, к которым прикреплена рамка. Поворот рамки происходит тем больший, чем больше сила тока, проходящего по рамке. Этот поворот рамки наблюдается или при помощи зеркальца (показанного на рисунке), соединенного с рамкой, или при помощи указателя, также соединенного с рамкой, и особой шкалы в виде дуги круга. На показания этого гальванометра, как на показания амметров, не оказывает влияния близость магнитов или электромагнитов.

И. Боргман.
[Энциклопедический Словарь ] | [Библиотека «Вехи»]

Источник