Новости
572 0

Кто изобрел гальванометр, и каков его принцип действия

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.

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.

Читайте также: Как правильно проложить СИП по фасаду дома. Фасадное крепление, арматура, хомуты.

Практически каждый гальванометр имеет один и тот же принцип работы.

  • При прохождении электрического тока по катушке, вокруг нее создается магнитное поле. Оно взаимодействует с магнитным полем, которое создает постоянный магнит.
  • В результате, образуется сила, вызывающая поворот или вращение катушки.
  • Преодолев сопротивление пружины, она стремится занять свое место между полюсами постоянного магнита.
  • Одновременно с перемещением катушки, происходит и перемещение указателя.
  • Расстояние, на которое они переместились, составляет пропорцию с количеством тока, протекающим через катушку.

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.

Схема гальванометра

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.

Гальванометр — что измеряет и как работает

Дата распечатки 25.11.2019 02:59

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.

Читайте также: устранение неисправностей и коды ошибок Микроволновый печь Samsung CE107MNSTR

Типовые конструкции

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

  • Переносные, используемые для цепей DC. Включают в себя рамку (подвижную), крепится на растяжках, шкалу, указатель (механический или световой).
  • Стационарные (зеркальные). Эти приборы не подлежат переноске и требуют в обязательном порядке выравнивания по уровню.

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:

  • Электромагнитные. Отличаются простой конструкцией, в состав которой входит неподвижная катушка и подвижный сердечник или магнит, втягивающийся в катушку или поворачивающийся при наличии электрического тока. Недостатком считается нелинейная шкала и затруднения при ее градуировке.
  • Тангенциальные. В конструкции имеется компас, с помощью которого сравниваются магнитные поля тока и Земли. В катушке применяется медная изолированная проволока, намотанная на рамку из диэлектрического материала. Обмотка и стрелка компаса в плоскости должны совпадать между собой. Под действием электрического тока на оси катушки создается магнитное поле, перпендикулярное магнитному полю Земли. Угол отклонения стрелки получается равным тангенсу отношения обоих магнитных полей.
  • Зеркальные. Считаются наиболее точными и быстродействующими устройствами. Показания снимаются с помощью небольшого зеркальца и отраженного от него светового луча.
  • Тепловые. Представляют собой проводник и рычажную систему. Длина проводника увеличивается, когда по нему проходит ток. Рычажная система преобразует удлинение проводника в положение стрелки на шкале прибора.

Источник

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:

  • Х.К. Эрстед;
  • Л. Гальвани;
  • М. Фарадей.

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.

Что такое гальванометр

Гальванометр – это прибор для измерения параметров электроцепи

Читайте также: Все своими руками Реверсирование электродвигателей | Все своими руками

, 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.

Гальванометр: подробно простым языком

Гальванометр — это устройство для измерения электрических параметров, которое работает на основе преобразование электрического тока в механическое движение и отражает величину измеряемого параметра на шкале.

Гальванометр

Техники используют гальванометры для того, чтобы убедиться, что электрические параметры находятся в заданных пределах для контроля и поиска неисправностей, потому что отклонение параметров от оптимальных может служить сигналом к нарушению работы системы.

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 признанопервым гальванометром

(или гальваноскопом).

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

  • Рамку с проводом тонкой намотки, удерживаемой специальной пружиной в точке «ноль» (катушка) и установленной на оси в магнитном поле.
  • Магнит (постоянный).
  • Шкалу (с градуировкой или без).
  • Указатель, механически соединенный с катушкой (образует 1 ось вращения).

Все типы имеют практически одинаковый принцип работы, а именно:

  • На катушку подается некоторое значение I.
  • За счет прохождения I вокруг нее наводится электромагнитное поле, вступающее во взаимодействие с полем постоянного магнита.
  • Вызванная взаимодействием полей сила стремится повернуть катушку и установить ее ровно между полюсами магнита.
  • Поскольку облегченный указатель механически связан с катушкой, вращение последней также приводит к его перемещению.
  • Рассчитав пропорции I, на шкалу наносится градуировка, соответствующая отклонению указателя на то или иное значение I.

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

Классификация гальванометров

За менее чем 200-летнюю историю было разработано огромное количество разнообразных гальванометров, которые отличаются размерами, принципом работы, шкалой измерений и многим другим.

Существует несколько групп гальванометров:

  • конструктивное оформление (переносные и зеркальные);
  • время действия тока (мгновенные, накопительные — кулонметры);
  • сфера использования (бытовые, исследовательские, промышленные и т.п.).

За принципом действия:

  • магнитоэлектрические, электромагнитные — вибрационные, баллистические;
  • тангенциальные — основаны на тангенциальном законе магнетизма;
  • тепловые — удлиняющийся (при нагреве от проходящего тока) проводник отклоняет стрелку;
  • зеркальные — падающий луч отклоняется от зеркала, которое поворачивается от действия магнитного поля.

Основные характеристики гальванометров

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

  • Одним из основных параметром устройства является постоянная. Ее значение определяется имеющейся длиной между шкалой и зеркалом и считается по стандартному отрезку протяженностью 1 метр. Для переносных данная величина считается ценой деления нанесенной шкалы. Составляет для современных приборов: стационарные — 10-11 А-м/мм, переносные приборы — 10-8 — 10-9 А/дел. Для всех видов приборов допускается погрешность в ±10%.
  • Постоянство «нуля» указателя (невозвращение стрелки к точке «ноль» при перемещении от крайнего положения, обозначенного на шкале). По данному параметру они различаются по разрядам постоянства. Данный показатель, имеющий числовое значение, в обязательном порядке указывается на шкале и наносится в виде ромбовидного штампа.
  • Наличие магнитного шунта. Его положение возможно изменять посредством поворота внешней ручки, что приводит к изменению: магнитной индукции в зазоре и постоянной гальванометра (по I в три раза). Таким образом, во всей технической документации, а также в паспорте прибора всегда указываются значения постоянной при 2 положениях шунта: в выведенном состоянии, в введенном состоянии.
  • Наличие корректора. Посредством его можно осуществлять перемещение стрелки (указателя) из одного крайнего состояния в другое.
  • Наличие арретира. Все статические устройства с подвесом оснащаются им в обязательном порядке, так как он позволяет жестко зафиксировать подвижную часть устройства. Это помогает предотвратить его повреждение при перемещении.
  • Наличие электростатического экранирования. Устанавливается в целях защиты прибора от I утечки.

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.

Что это такое?

По сути, любой гальванометр представляет собой прибор, разработанный для измерения параметров электрических сетей. С учётом характеристик данных устройств следует отметить, что речь идёт о минимальных значениях количества электричества, силы тока и сопротивления. К примеру, для определения наличия и минимальных показателей I на конкретных участках цепи используют гальванометры с повышенной чувствительностью.

Впервые особенности отклонения магнитной стрелки под воздействием электрического тока в проводнике описал Ганс Эрстед ещё в 1820 году. В то время подобное явление рассматривалось в качестве способа измерения тока. Говоря об изобретателе гальванометра, необходимо отметить, что первым упомянул подобный прибор Иоганн Швейгер. Это произошло 16 сентября 1820 года и связано с университетом Галле. Сам же термин появился только в 1836-м и произошёл от фамилии учёного Луиджи Гальвани.

Читайте также: Что такое потери тока короткого замыкания в трансформаторе

Изначально действие устройства основывалось на силе магнитного поля Земли. Подобные образцы измерительного оборудования назвали тангенциальными гальванометрами. Перед использованием их требовалось сориентировать в пространстве. Позже на свет появился первый астатический прибор, создатели которого использовали противоположно направленные магниты. Подобный подход позволил исключить фактор воздействия упомянутого магнитного поля планеты.

Современные устройства на схемах отмечаются в соответствии с действующим ГОСТом на схеме. Гальванометр имеет обозначение в виде стрелки, направленной вверх и расположенной внутри круга.

Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, эти приборы имеют ряд важных особенностей.

  • Один из главных параметров – это постоянная, значение которой определяет расстояние между зеркалом и шкалой и высчитывается с учётом стандартного отрезка длиной 1 метр. В ситуациях с переносными устройствами эта величина является ценой одного деления шкалы. Для стационарных моделей она составляет 10–11 А/м/мм, а для мобильных – 10-8 или же 10-9 А/дел. В обоих случаях допустима 10-процентная погрешность в обе стороны.
  • Невозвращение стрелки к нулевой отметке в процессе её перемещения от крайней точки шкалы, то есть так называемое постоянство нуля. Этот показатель в числовом выражении наносится на шкалу в виде ромбообразного символа.
  • Наличие такого конструктивного элемента, как магнитный шунт. Его положение меняется поворотом специальной ручки, что, в свою очередь, приводит к изменению постоянной гальванометра и показателя магнитной индукции в зазоре. С учётом данного момента техническая документация, включая паспорт измерительного прибора, содержит значения постоянной при двух положениях магнитного шунта, то есть во введённом и выведенном состоянии.
  • Присутствие корректора, с помощью которого осуществляется перемещение стрелки между двумя крайними положениями.
  • Наличие арретира, который представляет собой неотъемлемую часть всех современных приборов, имеющих подвесы. Этот элемент позволяет надёжно зафиксировать подвижную часть и тем самым минимизировать риск повреждения прибора в процессе его транспортировки.
  • Возможность установки электростатического экранирования для обеспечения максимально эффективной защиты устройства от I утечек.

Определённые особенности конструкции гальванометров связаны именно с наличием упомянутой подвижной части. В частности, регулировка успокоения, пропорционального её колебаниям, осуществляется путём подборки внешнего сопротивления (R).

На практике в подавляющем большинстве случаев наружное сопротивление устанавливают с максимальным приближением к критическому показателю. Это, в свою очередь, исключает риск возникновения колебаний стрелки (указателя) в пределах 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:

  • Значения I.
  • Индукции магнитного поля.
  • Коэффициента жесткости (пружины).

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:

  • Катушку (неподвижную).
  • Сердечник (подвижный).

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):

  • Земли.
  • наведенное протекающим I.

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:

  • Петлевые.
  • Рамочные.

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:

  • Проводника, на который подается I.
  • Рычажной системы.

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

Читайте также: Сравнение ламп ДРЛ, ДНаТ и светодиодных ламп

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.

Виды

Невзирая на то, что все описываемые измерительные приборы имеют одинаковый принцип действия, существует целый перечень их разновидностей. При этом каждый вид устройств отличается от других конструкцией и функционалом. Богатый выбор позволяет приобрести оборудование, в полной мере соответствующее всем требованиям и предпочтениям потенциального покупателя. В то же время некоторым достаточно тяжело разобраться в разнообразии доступных моделей и таких обозначениях, как, к примеру, М-001.

Так, гальванометры М195 и М195/1 предназначены для нулевых измерений. Стоит отметить, что все представленные на рынке образцы оборудования отличаются друг от друга прежде всего конструктивно. Магнитоэлектрические приборы имеют электропроводящую рамку, закрепляемую в процессе эксплуатации на специальной оси, размещённой в магнитном поле. Отклонение указателя от нулевого положения определяется величиной подаваемого тока, индукцией и жёсткостью возвратной пружины.

Особенность тангенциальных гальванометров – это наличие компаса, необходимого для сравнения магнитных полей электрического тока и Земли. Название устройства получили из-за того, что их функционирование основано на тангенциальном законе магнетизма. Катушка в данном случае выполнена из меди и имеет изоляцию. Сама рамка располагается вертикально и в процессе эксплуатации прибора проворачивается вокруг своей оси. Компас при этом находится в горизонтальной плоскости и в самом центре круглой шкалы. Перед началом работы тангенциальный гальванометр располагают таким образом, чтобы стрелка компаса совпадала с плоскостью обмотки. После этого через неё пропускают ток, создающий магнитное поле на оси катушки.

В результате указатель устройства реагирует на оба активных поля и отклоняется на определённый угол от нулевой отметки, который является тангенсом отношения искусственного и естественного полей.

Помимо уже описанных, существуют также следующие разновидности гальванометров.

  • Электромагнитные приборы, имеющие довольно простую конструкцию, главными элементами которой являются неподвижная катушка и свободный магнит или же сердечник. При прохождении электрического тока этот подвижный элемент поворачивается или же втягивается в катушку. Основным минусом таких моделей стал нелинейность шкалы, что создаёт трудности при градуировке. В подавляющем большинстве случаев электромагнитные гальванометры эксплуатируются в качестве амперметров переменного тока.
  • Электродинамические устройства, в которых катушки выполняют функции статичных и подвижных элементов.
  • Зеркальные, отличающиеся от подавляющего большинства своих «собратьев» максимальной точностью. В этом оборудовании при снятии показаний используются небольшие зеркала и световой луч, отражаемый ими. В своё время данный тип гальванометров достаточно широко использовался.
  • Вибрационные модели, являющиеся вариацией на тему зеркальных измерительных приборов. Одна из их основных особенностей – это компактные размеры и малый вес. Настройка устройства осуществляется посредством натяжения пружины.
  • Тепловые гальванометры, конструкция которых включает в себя систему рычагов и проводник. При прохождении через последний электрического тока его длина изменяется (увеличивается). Параллельно с этим рычаги преобразуют данную деформацию проводника в отклонение стрелки-указателя.
  • Апериодические. В данном случае суть функционирования оборудования сводится к тому, что после каждого отклонения стрелка гальванометра возвращается в положение равновесия.
  • Баллистические устройства, используемые для определения параметров одиночных электрических импульсов. Подвижные элементы таких моделей характеризуются повышенной инерцией, что отличает их от остальных модификаций.

Помимо всего перечисленного, стоит уделить внимание также струнным гальванометрам. Речь в данном случае идёт об одной из первых конструкций, которая изначально применялась в медицине

Создателем прибора в 1895 году стал голландский физиолог Виллем Эйнтховен. Измерительное устройство состояло из кварцевой нити, которая за счёт своей минимальной толщины была способна совершать колебания под действием воздуха. Она удерживалась в магнитном поле под напряжением.

Все перечисленные разновидности гальванометров характеризуются простотой конструкции и эксплуатации. Однако за счёт активного внедрения передовых технологий и инновационных технических решений в наши дни практически повсеместно используются электронные измерительные приборы. Их основными преимуществами являются надёжность и, конечно же, максимальная точность.

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:

  • подключение сопротивления (шунтирующего) в параллель с устройством позволяет измерять ток (амперметр);
  • включение R (добавочного) последовательно к устройству дает возможность измерять напряжение (вольтметр).

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:

  • при подключении фотодиода используется как экспонометр;
  • при соединении с датчиком температуры (термоэлементом) будет выполнять функции своеобразного термометра.

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:

  • подключить шунтирующее сопротивление параллельно с устройством для определения силы тока в амперах;
  • установить в цепи добавочное сопротивление последовательно для измерения напряжения.

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

  1. Термометра в тандеме с датчиком температуры и экспонометра при подключении фотодиода.
  2. Измерителя заряда. Речь в данном случае идёт об эксплуатации именно баллистических гальванометров, предоставляющих возможность определить параметры одиночных импульсов, при прохождении которых происходит резкое движение (отброс) рамки.
  3. Индикатора нуля, эффективно определяющий отсутствие электрического тока в цепи при фиксации указателя на нулевой отметке, градуированной соответствующим образом шкалы.
  4. Устройства для записи сигналов осциллографа. Конструктивные особенности позволяют подключить гальванометр непосредственно к так называемому писчику. В итоге при фиксации любого импульса прибор моментально реагирует и параллельно активирует пишущее устройство, которое, в свою очередь, отображает все данные на бумаге.
  5. Средства для выполнения оптической развёртки. Имеется в виду использование зеркальных моделей в системах лазерной оптики.

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.

Гальванометр

Подробности Категория:

ГАЛЬВАНОМЕТР

, прибор для измерения слабых электрических токов (или, соответственно, малых разностей потенциалов), основанный на механическом взаимодействии токопровода и магнита. Единицей весьма слабых токов в настоящее время принято считать нано-ампер, nА, т. е. «карликовый ампер», равный 10-9 А. Подобным же образом за единицу весьма малого напряжения (разности потенциалов) принимают нано-вольт, nV, равный 10-9 V. Для измерения токов более сильных существуют приборы, имеющие специальные названия, но построенные по тому же принципу, что и гальванометры; таковы миллиамперметры, измеряющие тысячные доли ампера, амперметры — для измерения от десятых до сотен амперов и, наконец, особые приборы на тысячи амперов.

Описание гальванометра

. В зависимости от того, какая именно из взаимодействующих частей будет подвижной, гальванометры делятся на гальванометры с подвижной системой магнитов (стрелочные, зеркальные — в том числе различные астатические, бронированные и т. п., дифференциальные и пр.) и гальванометры с подвижной системой токопроводов (катушечные, вибрационные, струнные, петлевые). Кроме того, как те, так и другие гальванометры могут быть предназначены для измерения в каждый отдельный момент времени либо тока, медленно меняющегося (обыкновенные гальванометры), либо тока (соответственного напряжения), быстро меняющегося (быстро устанавливающиеся гальванометры: струнный, отчасти вибрационные, крутильно-катушечные, электрокардиограф, некоторые осциллографы), или же для учета суммарного действия некоторого тока за известный промежуток времени (баллистические гальванометры; флюметры).

Гальванометры со стрелкой. Эти гальванометры построены по принципу амперметров с постоянным магнитом, в поле которого помещается подвижная катушка. Стрелка такого гальванометра может отклоняться в обе стороны от нулевого положения, в зависимости от направления тока, проходящего через катушку. На фиг. 1 изображен гальванометр, катушка которого укреплена на оси, вращающейся в подпятниках. Длина стрелки около 90 мм.

Одно деление соответствует силе тока в 10-6 А или, если измерять напряжение, то напряжению в 0,2 mV. По обе стороны от нулевого положения имеется по 25 делений, что соответствует повороту стрелки на угол в 2×15°. Более чувствительным является гальванометр, катушка которого подвешена на тонкой металлической ленте (фиг. 2).

Этот прибор должен устанавливаться горизонтально. Его чувствительность равна 0,15—0,5 мкА на одно деление. Гальванометры со стрелкой применяются исключительно при постоянном токе, в тех случаях, где необходимо обнаруживать весьма незначительные токи, например, при измерениях с мостиком Витстона при определении сопротивления изоляции и т. п.

Гальванометры с зеркальцем. Более чувствителен гальванометр, указателем которого служит световой луч, отбрасываемый от зеркальца. Это зеркальце укрепляется на нити (или на двух нитях — бифилярный подвес), к которой подвешена подвижная часть гальванометра. От источника света L (фиг. 3) на зеркальце S попадает луч света в виде узкой полоски; этот луч отражается от зеркальца и попадает на шкалу RR.

При повороте зеркальца на угол α отраженный луч поворачивается на угол 2α и перемещается по шкале на расстояние r. Если Е — расстояние шкалы от зеркальца, то tg 2α = r/E. Таким образом, при небольших отклонениях угол отклонения α пропорционален перемещению r отраженного луча по шкале. При более тщательных измерениях угол поворота наблюдают другим способом; освещают шкалу и наблюдают в подзорную трубу деления шкалы, отражаемые в зеркальце («Зеркальный отсчет»). Зеркальце д. б. очень легковесным и должно иметь размеры от 8 до 0,5 мм в диаметре. Чувствительность гальванометра с зеркальцем доходит иногда до перемещения в 1 мм по шкале, расположенной на расстоянии 1 м, при силе тока в 0,01 nА. Дальнейшее увеличение чувствительности затрудняется тем обстоятельством, что нулевая точка такого сверхчувствительного гальванометра не остается неподвижной, но перемещается то в одну, то в другую сторону. Эти перемещения, по-видимому, связаны с молекулярными токами, создаваемыми тепловым движением в проводах цепи гальванометра. Такая большая чувствительность обыкновенно не требуется. Гальванометр считается чувствительным, если он позволяет измерить ток силой в 1 nА. Увеличение чувствительности гальванометра связано с увеличением периода колебаний подвижной системы и с возможностью повреждения прибора. Поэтому пользование слишком чувствительным гальванометром скорее вредно, чем полезно. Во многих случаях изменяют чувствительность гальванометра при помощи предвключенного сопротивления или при помощи шунта; специальный шунт Арманья (Armagnat) дает возможность изменять чувствительность гальванометра (фиг. 4, G), не меняя при том общего сопротивления цепи между клеммами А и В.

Подразделения гальванометров с зеркальцем: 1) Гальванометр с подвижным магнитом. Система магнитов подвешивается на легкой нити в поле неподвижной катушки. Магниты размещаются так, чтобы, несмотря на малый момент инерции, размагничивающая сила была незначительна и магнитный момент оставался большим (фиг. 5).

Чтобы уничтожить влияние земного магнетизма и других внешних магнитных полей, вращающаяся система устраивается астатической. Кроме того, гальванометр заключается в толстостенные железные экраны и снабжается компенсирующими магнитами, которые могут совершенно уничтожить действие внешних полей на подвижную систему («панцирные» или «бронированные» гальванометры Пашена, Дюбуа-Рубенса, Нернста и др.). Масса этой брони м. б. весьма велика; например, у прибора Кембриджской К0, в котором сила внешнего поля понижена до 1/400, масса брони не менее 46 кг. На фиг. 6 изображен бронированный гальванометр, защищенный двумя сферическими экранами и одним цилиндрическим. Чувствительность такого гальванометра весьма велика.

Масса подвижной системы в этом случае равна 40 мг. Однако полностью исключить влияние сильных магнитных полей весьма трудно; кроме того, такие гальванометры тяжеловесны; поэтому они применяются сравнительно редко. В самое последнее время магнитная защита гальванометров весьма усовершенствована введением чередующихся экранов из мягкой меди и высокопроницаемых никелево-железных сплавов («муметалл», «пермаллой»); тут масса брони, ослабляющей внешнее поле в 1000 раз, равна только 2 кг, в том числе активного магнитного материала менее 1 кг [гальванометр Даунинга (Downing)].

В табл. 1 сопоставлены важнейшие данные о различных зеркальных гальванометрах с подвижным магнитом.

2) Гальванометр с подвижной катушкой (типа Депре-д’Арсонваля). Это — обычный тип гальванометра. Катушка, намотанная на легкую раму, подвешивается на легкой нити F (фиг. 7).

Головка гальванометра Т позволяет устанавливать зеркальце S в нулевом положении. Ток подводится через спирали J. Катушка отклоняется полем постоянного магнита М. Точность показаний такого гальванометра в лучшем случае не превышает 0,2%. Если пользоваться гальванометром как нулевым прибором, т. е. определять отсутствие тока в его цепи, то точность измерения значительно повышается, так как она будет зависеть исключительно от чувствительности гальванометра. В зависимости от конструкции и от предвключенного сопротивления отклонения в 1 мм на расстоянии в 1 м производятся токами силой от 0,1 до 20 nА. Показания гальванометров этого типа мало зависят от внешних магнитных полей. На фиг. 8 изображен такой гальванометр в собранном виде.

В одной из разновидностей гальванометров с подвижной катушкой, а именно в гальванометре Молля (выпускаемом фирмой Кипп и С-вья в Дельфте и Кембриджской К0), постоянный магнит заменен электромагнитом. Подбором возбуждающего тока (от 0,5 до 1,3 А) можно получать желаемую чувствительность и успокоение.

Наиболее чувствительные гальванометры с подвижной катушкой и без вспомогательного тока — Цернике, фирмы Кипп и С-вья. Особенность их — подвес из весьма тонкой кварцевой нити и очень сильный магнит из кобальтохромовой стали.

Данные о зеркальных гальванометрах с подвижной катушкой сопоставлены в табл. 2.

Наиболее чувствительный гальванометр с подвижной катушкой, имеющий притом весьма малый период собственных колебаний и не требующий вспомогательного тока для возбуждения электромагнита с полем в 15000 гаусс, выпускается фирмой Сименс и Гальске под названием электрокардиограф. Катушка этого прибора имеет 5 витков волластоновской платиновой проволоки диаметром 3 мкм и сопротивление 1500 Ом. Размеры зеркальца 0,5х0,5 мм. Электрокардиограф дает отклонение на шкале 1 мм от тока 0,7 nА при длительности колебания 0,02 сек. Изоляция прибора от внешних сотрясений достигается монтировкой его на резиновых мячах (фиг. 9).

3) Вибрационный гальванометр. Чтобы иметь возможность измерять и переменный ток, поступают следующим образом: уменьшают собственный период колебаний подвижной системы, сильно увеличивая натяжение нитей, на которых укреплено зеркальце. Тогда собственный период колебаний системы можно регулировать: изменяя или натяжение нитей, или их свободную длину, или же силу магнитного поля (заменяя постоянный магнит электромагнитом и регулируя его возбуждение). Таким образом, можно добиться резонанса собственных колебаний системы с периодом измеряемого тока. При этих условиях луч, отражаемый от колеблющегося зеркальца, изобразит на шкале светящуюся полосу, ширина которой пропорциональна амплитуде колебаний зеркальца, а, следовательно, и амплитуде измеряемого (синусоидального) тока. Вибрационные гальванометры бывают как с подвижной магнитной системой (Шеринга-Шмита, Агнью), так и с подвижной катушкой (Кембриджская К0 и другие).

Чувствительность этого рода приборов такова, что на расстоянии 1 м можно получить на шкале световую полосу в 60 мм при переменном токе в 50 пер/сек., эффективное значение которого равно 1 мкА. При увеличении частоты тока чувствительность уменьшается приблизительно в отношении обратной пропорциональности (в том же гальванометре, при прочих равных условиях, 1 мкА при 1000 пер/сек. вызовет колебание с амплитудой всего только в 0,2 мм). Столь быстрые колебания исследуются, однако, лучше при помощи осциллографов. Вибрационные гальванометры применяются на практике исключительно в качестве нулевых приборов.

Вибрационные гальванометры Кемпбелла (изготовляемые Кембриджской К0) характеризуются следующими данными:

Струнный гальванометр. В поле сильного магнита помещается струна из золота, платины или посеребренного кварца, толщиной в 2—5 мкм (у менее чувствительных приборов толщина нити доходит до 20 мкм). Через эту нить пропускается измеряемый ток, нить отклоняется, и это отклонение измеряется при помощи микроскопа (фиг. 10).

При стократном увеличении микроскопа было достигнуто отклонение в 1 мм током в 1 nА, а в некоторых случаях применяют увеличение даже до 1000 раз и достигают высоких чувствительностей. Выгодная сторона струнного гальванометра — малый период колебаний струны, так что гальванометр может поспевать за токами, быстро меняющими свою силу. Чувствительность струнного гальванометра регулируется натяжением струны, причем число ее собственных колебаний изменяется от нескольких тысяч в секунду до одного колебания в несколько секунд.

Для модели 1530 — струнного гальванометра фирмы Т. Эдельман в Мюнхене, со струной в 67 мм длиной и при 100-кратном увеличении, данные сопоставлены в табл. 3, где с — чувствительность в nА /мм, a t — время установки в ms (миллисекундах).

Для прибора Кембриджской К0 с кварцевой нитью З мкм диаметром и сопротивлением около 4000 Ом, при 600-кратном увеличении, данные представлены в таблице 4.

Гальванометр крутильно-струнный, выпускаемый фирмой Кипп и С-вья, представляет тип промежуточный между катушечным и струнным, и применим там, где требуется особенно малый период собственных колебаний (около 1/50 пер/сек.). Рамочка с обмоткой укреплена здесь боковой стороной на натянутой проволочке и отклоняется полем электромагнита. При сопротивлении в 10 Ом чувствительность гальванометра 40 nА/мм.

Гальванометр с петлей (Schleifengalvanometer). Весьма чувствительный и очень прочный гальванометр такого типа построен фирмой Цейс в Йене. В поле сильных магнитов помещается петля из металла, через которую пропускают ток. Отклонение петли измеряют при помощи микроскопа, дающего 640-кратное увеличение (фиг. 11).

Сопротивление петли ≈ 10 Ом. Это обстоятельство делает такой гальванометр весьма чувствительным не только для измерения силы тока, но также и для измерения напряжений. В собранном виде гальванометр с петлей изображен на фиг. 12.

Когда петля висит, как показано на фиг. 11, то ток силой в 37 nА дает отклонение в одно деление. Если повернуть прибор на 180° так, чтобы петля оказалась укрепленной снизу, то чувствительность прибора повышается, и одно деление соответствует силе тока в 7,5 nА. Гальванометр с петлей имеет важные преимущества — нечувствительность к грубому обращению и к сотрясениям.

Дифференциальные гальванометры применяются, когда нужно установить равенство силы двух токов. Эти приборы отличаются от обычных гальванометров присутствием двух независимых друг от друга и параллельных обмоток, тождественных между собой. Обычно пользуются дифференциальными гальванометрами с подвижной магнитной системой.

Баллистическими гальванометрами могут служить гальванометры как с подвижными магнитами, так и с подвижными катушками, лишь бы только период колебания был велик, например, до 30 сек. Масса нормальной магнитной системы имеет величину от 0,05 до 1,0 г, подвес — на кварцевой нити диаметром 10 мкм или, реже, на коконовой. Одна из разновидностей баллистического гальванометра — флюметр (fluxmetre) Грассо, с периодом колебания около 60 сек. Чувствительность флюметра выражается смещением на 1 мм шкалы от прохождения 10-7 С.

Теория гальванометра

. Пусть I обозначает момент инерции подвижной системы гальванометра, α — угол ее отклонения от положения равновесия. Тогда на систему действуют следующие моменты вращения: 1) движущий момент М, пропорциональный измеряемой силе тока, М=Ci; 2) направляющий момент Dα, создаваемый закручиванием системы (при унифилярном или бифилярном подвесе); 3) тормозящий момент, пропорциональный угловой скорости dα/dt, создаваемый трением, вихревыми токами, сопротивлением воздуха и т. п., В∙(dα/dt). Таким образом, вращение подвижной системы подчиняется дифференциальному уравнению:

При постоянной силе тока i отклонение α через некоторое время приобретает установившееся значение:

Интеграл уравнения (1) получается как сумма установившегося отклонения αр и переходного отклонения, определяемого начальными условиями. В зависимости от величины коэффициента успокоения В это отклонение м. б. апериодическим или колебательным. Апериодическое движение, когда В2>4∙I∙D, не представляет интереса в теории гальванометра, т. к. при таком сильном успокоении подвижная система слишком медленно подходит к своему окончательному отклонению. Мы рассмотрим только случай В2≤4∙I∙D.

Затухающие колебания, В2<4∙I∙D. Рассмотрим сначала случай, когда гальванометр при включении находится в покое, α = 0, dα/dt = 0. Тогда интеграл уравнения (1) получает вид:

где коэффициент затухания δ = B/2I,

Величина Т = 2π/ν равняется удвоенному промежутку времени от одного нулевого значения α до следующего. Т называется псевдопериодом колебания, так как, строго говоря, благодаря затуханию, колебание непериодично, и значения α при повторении соответствующей фазы убывают в геометрической прогрессии. Рассмотрим теперь случай, когда система получает толчок, сообщающий ей начальную угловую скорость w0, и движется до тех пор, пока не вернется в состояние покоя. Тогда интеграл уравнения (1) может быть записан в виде:

Максимальные отклонения в ту или другую сторону здесь получаются при значениях t = t1, обращающих в нуль производную dα/dt:

где n — целое число. Последовательные максимальные отклонения убывают в геометрической прогрессии:

Таким образом, существует постоянное отношение затухания

Логарифм этого отношения

называется логарифмическим декрементом.

При отсутствии затухания, В = 0, уравнение (1) определяет чистое колебание, и формулы (3) и (6) приобретают соответственно вид:

или

где

— круговая частота, а Т0 — период колебания. С этими обозначениями формула (4) может быть записана в виде:

Критический случай, B2=4∙I∙D. Этот случай находится на границе между колебательным и апериодическим движением. Рассмотрим только случай, когда система под влиянием толчка приобретает начальные значения α0 = 0, (dα/dt)0 = w0 и движется свободно до тех пор, пока не вернется в состояние покоя. Тогда интеграл уравнения (1) принимает вид:

Отклонение α будет иметь максимальное значение, когда dα/dt = 0. Это произойдет при значении t = τ, определяемом по формуле

Соответствующее значение для α:

Вводя обозначения α/αmax = s и v0t = х, из уравнения (11) получаем:

Т. о., при соблюдении условия B2=4∙I∙D, отклонение α при всех значениях В, I, D изменяется по формуле (14), изображенной в виде диаграммы на фиг. 13.

Этот предельный случай обладает тем преимуществом, что при критическом затухании затрачивается наименьшее время на установление окончательного значения α. Время τ установления максимального отклонения в этом случае в 2π раз меньше полного периода Т0 свободных незатухающих колебаний (В = 0). Если, например, τ = 4 сек. при критическом затухании, то через 40 сек. отклонение α уже становится равным 0,001 αmах, и гальванометр снова м. б. включенным. Формула (2) показывает, что отклонение αр при данной силе тока обратно пропорционально направляющему моменту D. Поэтому для увеличения чувствительности следует строить гальванометры с возможно меньшим D. У вибрационного гальванометра сила тока i переменна. Поэтому установившееся отклонение αр тоже переменно с тем же периодом, как и i. В этом случае αр при данном i зависит не только от С и D, но также от I, В и от частоты тока w.

Баллистический гальванометр. Часто приходится измерять количество электричества проходящее через гальванометр за определенный весьма малый промежуток времени ε. Это измерение производится при помощи баллистического гальванометра, отличающегося от обыкновенного гальванометра тем, что его момент инерции I нарочно увеличивают. Соответственно и собственный период колебаний Т увеличивается примерно до 30—40 сек. Тогда разряд q успевает пройти через катушку гальванометра прежде, чем подвижная система заметно передвинется, так что угол α практически остается равным нулю до конца разряда. Если в уравнении (1) сделать α = 0 и проинтегрировать обе части за время прохождения тока, то угловая скорость w0 в конце разряда определится по формуле:

Если начать отсчет времени с момента конца разряда t = ε, то мы получаем начальные условия α0 = 0, (dα/dt)0 = 0. Изменение α в этом случае описывается уравнениями (6) для колебательного движения и (11) для движения с критическим успокоением. В этом последнем случае можно по формуле (13) выразить заряд q через максимальное отклонение αmах так:

При колебательном движении заряд q определяется достаточно точно из двух последовательных амплитуд α1, α2:

где αр — постоянное отклонение, создаваемое постоянным током i. Коэффициент ν = 2π/T определяется измерением периода колебаний. При выполнении измерений можно изменять чувствительность гальванометра, шунтируя катушки, через которые проходит измеряемый ток. Период колебаний и затухание можно регулировать, изменяя сопротивление цепи гальванометра.

Сопротивление цепи гальванометра влияет на его успокоение, а, следовательно, и на период колебаний. Таким образом, чувствительность гальванометра, его период колебаний и критическое сопротивление связаны между собой.

Основания расчета и оценки гальванометра

. Исходной для расчета и оценки гальванометра является т. н. «чувствительность гальванометра к току» (ST) при данном периоде колебаний Т гальванометра и сопротивлении его обмотки ϱ. Эта величина есть предел, к которому стремится отношение α/I, где α — отклонение подвижной системы, а i — вызывающая ее сила тока:

На практике за единицу отклонения принято брать угол, дающий единицу смещения шкалы при расстоянии этой последней в 1000 единиц (чаще всего 1 мм смещения при 1 м расстояния); такая единица отклонения соответствует приблизительно 1,7′. За единицу силы тока до недавнего времени обычно брали 1 мкА, а в самое последнее время вводят 1 nА. Сила тока

где F — сложная функция, зависящая от конструкции гальванометра и находимая эмпирически. В небольших пределах

где а — коэффициент, находимый из опыта. Наконец, при совсем малых углах, каковыми обычно и пользуются при измерениях,

Величина чувствительности меняется с периодом колебания Т и с сопротивлением ϱ обмоток гальванометра. Для сравнения между собой различных гальванометров по чувствительности эта последняя должна быть приведена к «нормальной чувствительности» σ, отнесенной к периоду полного колебания в 10 секунд и сопротивлению в 1 Ом:

Наибольшая достигнутая величина σ была 3,9 (гальванометр Пашена, магнитная система), которая имела 13 магнитиков длиной 1—1,5 мм и весила вместе с зеркальцем 5 мг.

Так как гальванометры применяются для измерения не только силы тока, но и напряжения Е, то вводится также величина Р — чувствительность к напряжению

где α — угол поворота под действием напряжения Е, выраженного в нано-вольтах. Если R — сопротивление всей цепи (состоящее из ϱ — гальванометра и r — внешней цепи), то

Наибольшая величина S достигается, когда сопротивление гальванометра равно сопротивлению внешней цепи: r = ϱ. Поэтому наибольшая величина

В Англии, вместо нормальной чувствительности к току и к напряжению, при оценке гальванометра пользуются «коэффициентом качества» (factor of merit), введенным Айртоном и Метером (Ayrton and Mather); эта величина f вычисляется по формуле:

Для гальванометров с подвижными магнитами величины ST и σ находятся из условия равенства нулю алгебраической суммы вращающих моментов, когда подвижная система отклонена на угол α:

где М — магнитный момент всей подвижной системы, М1 — магнитный момент ее части, подвергающейся действию тока, H1 — сила поля, стремящаяся вернуть магнитную систему в положение равновесия, G — гальванометрическая постоянная, т. е. сила магнитного поля, создаваемого обмотками гальванометра, когда по ним проходит ток силой 1 мкА; Dα — вращающий момент закрученного подвеса (величина весьма малая). Отсюда следует:

M1G — динамическая постоянная гальванометра, т. е. момент вращения подвижной системы от тока 1 мкА; МН1 = Q — направляющая сила, т. е. момент вращения при повороте системы на α = 1. Так как период колебания системы

где I — момент инерции подвижной магнитной системы, то

Задача конструктора — по возможности увеличить S, не слишком увеличивая Т. Для этого надо увеличить М1 и G, уменьшая М и Н1; но последнее ведет к увеличению Т, поэтому необходимо компенсировать это последнее, уменьшая I. Если система не астазирована, то М1 = М; и, следовательно, их отношение не может быть увеличено. Но можно увеличить отношение M/I, строя систему из весьма тонких магнитиков (В. Томсон) или изгибая магнит в подкову (колокольчиковый магнит – Glockenmagnet — В. Сименса); уменьшение расстояния между концами в n раз увеличивает во столько же раз отношение M/I. В астазированных системах возможно, кроме того, увеличение множителя M1/M, так как для двух стрелок с магнитными моментами m1 и m2 и углом между магнитными осями δ отношение

м. б. сделано сколь угодно большим при надлежащем подборе δ и величин m1 и m2. Уменьшение Н1 может быть достигнуто либо внешними магнитами, либо железной броней. Как на крайний предел последней можно указать на шестерную броню в гальванометре Николса и Виллиамса, ослабляющую земное поле в 40000 раз. Наконец, увеличение G зависит от рационального выбора сопротивления обмоток ϱ при заданном габарите катушек; в каждом случае ϱ должно быть подобрано в соответствии с назначением гальванометра; наивыгоднейшее условие: ϱ = r.

Пусть N — число оборотов проволоки, d — ее диаметр, Н — поле, создаваемое катушками при токе i, E — ЭДС, вызывающая этот ток, а β1, β2, β3,.. . — коэффициенты. Тогда, при данном габарите,

следовательно,

С другой стороны, число оборотов N пропорционально гальванометрической постоянной G, a Gi пропорционально полю, создаваемому катушками, так что

и потому

Кроме того,

следовательно,

Это выражение имеет максимум при r = ϱ. Следовательно, при прочих равных условиях, наибольшее отношение будет давать гальванометр, сопротивление которого равно сопротивлению внешней цепи. Для гальванометра с подвижной катушкой условие равновесия напишется как

где s — сумма площадей, охватываемых отдельными витками катушек, Н — сила дополнительного поля, в котором вращается катушка, Н1 — сила земного поля, D — направляющая сила подвеса. В виду малости Н1 сравнительно с Н, первым членом можно пренебречь. Поэтому чувствительность в отношении тока

где q = Hs — динамическая постоянная гальванометра. Коэффициент магнитного действия Н, т. е. противодействующий момент при угловой скорости, равной единице, определяется равенством

где r — внешнее сопротивление цепи, а ϱ — внутреннее сопротивление гальванометра. Таким образом, увеличение динамической постоянной гальванометра повышает не только чувствительность гальванометра, но и его успокоение. Наиболее выгоден случай, когда

где I — момент инерции подвижной системы, n0 — успокоение в разомкнутой цепи. Чувствительность Р для напряжения будет:

Подобными же рассуждениями устанавливается чувствительность баллистического и других гальванометров.

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 5 — 1929 г.

  • < Назад
  • Вперёд >

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.

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.

Для получения амперметра необходимо подключить шунтирующий резистор параллельно гальванометру.

Для получения вольтметра необходимо подключить гасящий резистор (добавочное сопротивление) последовательно с гальванометром.

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 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.

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.

Теоретическое введение

SN

НЗ

НЗМагнитное поле Земли подвержено суточным, годовым, вековым и т.п. колебаниям. Соответственно меняются и элементы земного магнетизма.Отметим, что магнитная стрелка или рамка с током устанавливается в определенном направлении под действием вектора ИНДУКЦИИ магнитного поля, а не вектора напряженности. Но в силу установившейся традиции обычно говорят о векторе напряженности. Если магнитная стрелка может вращаться только около вертикальной оси, то под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли она устанавливается в плоскости магнитного меридиана. Это свойство магнитной стрелки используется в приборе, который называется тангенс-гальванометр, для определения величин горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля НЗ

. Тангенс-гальванометр представляет собой плоскую вертикальную катушку радиусаRс числом витковn. В центре катушки в горизонтальной плоскости расположен компас. Магнитная стрелка компаса при отсутствии тока в катушке будет располагаться по магнитному меридиану ЗемлиNS. П

оворачивая катушку около вертикальной оси можно добиться совмещения плоскости катушки с плоскостью магнитного меридиана. Если после таковой установки катушки по ней пропустить ток, то магнитная стрелка повернется на некоторый угол. Объясняется это тем, что на магнитную стрелку будет действовать два поля. Внешнее поле – это горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля Земли –НЗи второе поле, созданное токомНт(рис. 2). Под действием этих двух полей магнитная стрелка займет такое положение, при котором равнодействующая этих полей будет совпадать с линией, соединяющей полюса стрелки.

NSАВN1S1НзНт

напряженности магнитного поля

В точкеА

ток идет на нас (показан точкой). В точкеВток идет от нас (показан крестиком). Магнитное поле тока (векторНт) направлено перпендикулярно и плоскости витков. Из рисунка 2 видно, что ( 1 ) откуда ( 2 ) Длина магнитной стрелки компаса должна быть намного меньше радиусаRкатушки, чтобы магнитное поле можно было бы считать однородным в той области, где находится стрелка, а напряженность – равной напряженности в центре катушки. Магнитное поле тока зависит от геометрии источника магнитного поля, от величины тока, протекающего по проводнику. Применяя закон Био-Савара-Лапласа, можно легко найти напряженность магнитного поля в центре кругового тока, имеющегоnвитков. Получим ( 3 ) Подставляя значенияНиз формулы ( 3 ) в формулу ( 2 ), находим.. ( 4 )

Порядок проведения работы

  1. Соберите установку по схеме, изображенной на рис. 3.
  1. Коммутатор поставить на любое направление тока. Очень часто тангенс-гальванометр имеет установочные винты и уровень. При помощи установочных винтов добиваются того, чтобы стрелка могла свободно вращаться, не задевая шкалу лимба. Такая «свободная» стрелка довольно быстро устанавливается по магнитному меридиану и будет сохранять это положение.
  2. Вращают катушку около вертикальной оси, наблюдая сверху, и придают ей такое положение, чтобы ось магнитной стрелки лежала в плоскости катушки. Тогда плоскость катушки будет совмещена с плоскостью магнитного меридиана. При этом магнитная стрелка указывает на нулевое деление шкалы лимба. Если это не так, то необходимо повернуть компас вокруг вертикальной оси.
  3. Задаются пятью значениями токов, пропущенных через витки катушки тангенс-гальванометра в пределах 20–100 мА. Например: 20, 40, 60, 70, 90 мА. Каждой величине тока соответствует свой опыт.
  4. Проводя первый опыт, соответствующий току 20 мА, необходимо:
  1. установить реостат на нужное сопротивление (стрелка миллиамперметра показывает 20 мА) и замыкают ключК

    . Когда стрелка тангенс-гальванометра успокоится, производят измерение острого угла по обоим концам стрелки, как показано на рис. 4.

  2. записывают показания миллиамперметра и тангенс-гальванометра.
  3. коммутатором меняют направление тока в тангенс-гальванометре.
  4. измеряют как и в первом случае углы отклонения стрелки, ток должен быть таким же как и ранее.
  5. результаты заносят в таблицу.
  1. Проводят второй опыт, соответствующий току 40 мА. И далее со всеми токами. Все результаты заносят в таблицу.
  2. Для каждого опыта вычисляютHз

    (гдеi– номер опыта) по формуле ( 4 ), где витков катушкиn=65, а радиус витковR=14 см.

Таблица 1
п/пнаправле-ние токанаправле-ние токаIx10-3АНзА/мНз
1
2
3
4
5

Контрольные вопросы

  1. Сформулировать закон Био-Савара-Лапласа.
  1. В чем заключается принцип измерения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли с помощью тангенс-гальванометра?
  1. Почему магнитная стрелка тангенс-гальванометра должна быть намного меньше радиуса витков?
  1. Выведите напряженность магнитного поля в центре кругового тока.

Отличия от амперметра

Независимо от специфики конструкции и спектра выполняемых операций, любой гальванометр – это электроизмерительное устройство, характеризующееся повышенной чувствительностью и используемое для определения силы тока незначительной величины. При этом многих интересует,в чём именно заключается разница между этими образцами измерительной техники и классическими амперметрами. Прежде всего следует отметить, что последние представляют собой оборудование для нахождения величины силы тока, измеряемой в амперах.

Шкала подобных устройств с учётом диапазона осуществляемых ими измерений может быть градуирована в микроамперах, миллиамперах, амперах и килоамперах.

В отличие от микроамперметра, который тоже способен определять показатели сравнительно небольших токов, шкала гальванометра градуируется несколькими электрическими величинами.В их перечень входят в том числе и единицы напряжения.

Функции

У многих возникает вполне логичный вопрос, касающийся того, для чего нужен гальванометр в физике и повседневной жизни. Как уже было отмечено,этот прибор измеряет параметры электрической сети. При этом его функционирование базируется на преобразовании тока в механическое движение, в результате которого на шкале отображаются искомые показатели.

Как правило, рассматриваемое оборудование выполняет функции аналоговых приборов, измеряющих силу тока в сети.

Специалистами, представляющими разные отрасли, гальванометры используются для того, чтобы получить данные, подтверждающие нахождение искомых параметров в определённых пределах.Это позволяет эффективно контролировать состояние электрических цепей и своевременно выявлять неисправности.

Важно помнить, что чаще всего отклонение параметров от установленных норм свидетельствует о сбоях в работе систем.

С учётом того, какая именно часть устройства является подвижной, гальванометры делятся на две основные категории. Это, в свою очередь, определяет их функциональность. Так,к первой разновидности относятся приборы с подвижными магнитами, а ко второй – оборудование с подвижными токопроводами. Оба типа одинаково эффективны при измерении в конкретный момент времени медленно меняющегося тока, а также тока быстро меняющего соответственного напряжения. Помимо этого, в перечень функций входит учёт общего действия тока в течение заданного временного промежутка, осуществляемый, как правило, флюметрами и баллистическими гальванометрами.

Гальванометр: описание, принцип работы и разновидности

На рынке измерительных приборов производители представляют достаточно широкие модельные ряды устройств, предназначенных для замеров сопротивления, напряжения и силы тока, то есть омметров, вольтметров и амперметров. Однако в некоторых ситуациях незаменимыми становятся гальванометры, описание принципов работы которых и характеристики разновидностей можно найти на многих специализированных ресурсах. Подобное оборудование актуально в ситуациях, когда требуется измерить малые токи или выявить отсутствие напряжения в сетях, имеющих различные параметры.

Добавить комментарий