Гальванометр

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Схема работы гальванометра
Логотип Викисловаря
В Викисловаре есть статья «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.

История[править | править исходный текст]

В июне 1820 года Ганс Эрстед публикует описание опыта, показывающего что ток, протекающий в прямолинейном проводнике идущем вдоль меридиана отклоняет магнитную стрелку от направления меридиана. Для усиления действия тока Иоганн Швайггер (нем. Johann Salomo Christoph Schweigger) поместил магнитную стрелку внутрь прямоугольной рамки, на которую было намотано несколько витков проводника. Устройство получило название «мультипликатор» и было продемонстрировано в университете Галле 16 сентября 1820 года. Мультипликатор Швейггера можно считать первым гальванометром (точнее, гальваноскопом). Термин «гальванометр» впервые появился в 1836 году по фамилии ученого Луиджи Гальвани.

В 1821 Поггендорф усовершенствовал конструкцию мультипликатора, снабдив его измерительной шкалой.

В 1823 году Авогадро и Микелотти предложили мультипликатор, в котором стрелка была подвешена на шёлковой нити над разграфленным сектором (прообраз шкалы), а всё устройство помещалось под стеклянным колпаком[1].

Гальванометр Нобили

Ещё 1821 году Ампер сконструировал «астатический аппарат» представлявший собой две жёстко связанные параллельные магнитные стрелки, полюса которых были направлены в противоположные стороны, подвешенные над проводником. Устройство позволило продемонстрировать, что магнитная стрелка, когда она не зависит от магнитного поля Земли, ориентируется перпендикулярно проводнику с током. 13 мая 1825 года Леопольдо Нобили[1] представил на заседании Моденской академии первый астатический гальванометр представлявший собой сочетание астатического аппарата Ампера с подвеской на нити. Этот прибор на протяжении нескольких десятков лет оставался наиболее чувствительной разновидностью гальванометров.

В 1826 году Поггендорф ввел метод зеркального отсчёта, развитый впоследствии Гауссом (1832) и применённый в зеркальном гальванометре Вебером (1846).

В 1825 Антуан Беккерель предложил эскиз дифференциального гальванометра.

В 1833 Нервандер предложил первый гальванометр, отградуированный в абсолютных единицах[2].

В 1837 Клод Пулье предложил тангенциальный гальванометр или тангенс-буссоль. Маленькая магнитная стрелка с длинным медным указателем, установлена на игле над расчерченным на градусы кругом, была помещена в центре вертикального кольца из проводника диаметром 40-50 см. Перед началом измерений следовало сориентировать кольцо в плоскости магнитного меридиана. В 1840 Вебер использовал усовершенствованную модель тангенциального гальванометра[3] в котором вместо кольца из проводника использовались 2 соединённые последовательно катушки с проводником расположенные в параллельных плоскостях, а магнитная стрелка помещалась межу ними, что обеспечивало более равномерное распределение магнитного поля создаваемого током. Вебер создал теорию тангенциального гальванометра, показав как электрический ток может быть измерен в абсолютных единицах через его действие на горизонтально подвешенную стрелку после того как горизонтальный компонент магнитного поля Земли в абсолютных единицах был установлен. С этого момента до приблизительно 1890 годов для прецизионных измерений электрического тока использовались различные виды тангенциальных гальванометров. Электрические лаборатории в те времена не использовали железных конструкций искажающих магнитное поле Земли. Различные типы тангенциальных гальванометров предлагали Гельмгольц (1849), Кольрауш (1882).

В 1846 Вебер представил электродинамический гальванометр, у которого между 2-мя катушками расположенными вертикально в параллельных плоскостях вместо компаса подвешивалась на ленте третья катушка меньшего размера намотанная бифилярно[4]. Все три катушки соединялись последовательно. Подвес ориентировал подвижную катушку перпендикулярно плоскости в которой установлены неподвижные катушки и обеспечивал противодействующий момент. При протекании тока в цепи подвижная катушка стремилась ориентироваться параллельно остальным. В качестве указателя использовалось зеркало.

Гальванометр Томсона

В 1858 Уильям Томсон (лорд Кельвин) разрабатывает и патентует свой зеркальный гальванометр для подводного трансатлантического телеграфа. Гальванометр представлял собой[5] массивную вертикальную катушку из медной проволоки в шелковой изоляции в центре которой имелась небольшая полость. Четыре миниатюрных магнита были приклеены к оборотной стороне зеркала, подвешенного на шёлковой нити в этой полости. Магниты образовывали астатическую систему, влияние магнитного поля Земли дополнительно компенсировалось установкой постоянного магнита наверху прибора, изменяя его высоту можно было регулировать чувствительность прибора. При пропускании тока через катушку зеркало поворачивалось, отклоняя падающий луч света, при этом сопротивление воздуха испытываемое зеркалом при вращении за счёт небольшого зазора между краем зеркала и стенками полости позволяло демпфировать случайные колебания измеряемого сигнала. Гальванометр отличался очень высокой чувствительностью, проекция пятна света на экран позволяла наблюдателю фиксировать колебания уровня сигнала при передаче сообщения независимо от смещения нулевого положения и при этом, за счёт эффективного успокоения, позволял принимать больше сигналов за единицу времени. Прибор использовался в составе трансатлантического телеграфа до 1870 года.

Марсель Депре предложил поместить железную стрелку между полюсами сильного постоянного магнита, поле которого ориентирует стрелку аналогично действию магнитного поля Земли. Катушка, окружающая собой стрелку, помещается так, что ток, напротив, стремится установить стрелку перпендикулярно к этому направлению. Таким прибором можно было пользоваться вблизи металлоконструкций и даже работающих динамо-машин[2].

Гальванометр Д’Арсонваля

В 1881[6] году Жак-Арсен д’Арсонваль и Марсель Депре разработали гальванометр[7] с подвижной катушкой из проводника, намотанной на прямоугольную рамку и подвешенной между полюсами постоянного магнита. Измеряемый ток подводился к катушке по металлической ленте на которой она была подвешена, противодействующий момент создавался винтовой пружиной[8]. В качестве указателя использовалось зеркало, закрепленное на катушке. Внутрь катушки помещён неподвижный цилиндр из мягкого железа, что обеспечило равномерное распределение магнитного потока для различных положений катушки. Благодаря этому отклонение рамки прямо пропорционально току в катушке и гальванометр Д’Арсонваля-Депре, в отличие от более ранних конструкций, имеет равномерную шкалу. Этот прибор послужил первым образцом магнитоэлектрического измерительного механизма.

В 1888 Эдвард Вестон внёс[9] ряд усовершенствований в конструкцию Д’Арсонваля-Депре:

  • предложил изготавливать рамки для намотки подвижной катушки прибора из металла — такая металлическая рамка, помещённая в поле постоянного магнита, позволяет обеспечить успокоение подвижной части без громоздких дополнительных приспособлений;
  • предложил использовать в измерительных приборах полюсные наконечники из мягкого железа для концентрации магнитного потока создаваемого постоянным магнитом;
  • использовал для опоры подвижной части каменные подпятники ранее применявшиеся для изготовления часов (до того, большинство приборов изготавливалось на подвесах или растяжках), что позволило создать щитовые приборы с горизонтальной осью вращения подвижной части.
  • использовал для создания противодействующего момента плоские спиральные пружины (как в балансом колесе наручных часов) из немагнитного материала с низким сопротивлением (фосфористой бронзы), которые одновременно использовались в качестве проводника для подачи тока на подвижную катушку.

Последние два решения характерны для относительно более грубых приборов со стрелочным указателем.


Принцип действия[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

Магнитоэлектрический[10][править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

Тангенциальный гальванометр созданный компанией Баннела около 1890.

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.

Теория[править | править исходный текст]

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

B={\mu_0 nI\over 2r}\,

где I — ток в амперах, n — число витков катушки и r — радиус катушки. Эти два перпендикулярных поля векторно складываются и стрелка компаса отклоняется на угол:

\theta = \operatorname{arctg} \frac{B}{B_H}\,

Из тангенциального закона, B = B_H \operatorname{tg} \theta\,, то есть

{\mu_0 nI\over 2r} = B_H \operatorname{tg}\theta\,

или

I=\left(\frac{2rB_H}{\mu_0 n}\right)\operatorname{tg}\theta\,

или  I=K \operatorname{tg}\theta\,, где K — понижающий коэффициент тангенциального гальванометра.

Одна из проблем тангенциального гальванометра — сложности при измерении очень больших и очень малых токов.

Измерение магнитного поля Земли[править | править исходный текст]

Тангенциальный гальванометр также можно использовать для измерения горизонтальной составляющей геомагнитного 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[править | править исходный текст]

В качестве подвижного и неподвижного элемента используются катушки с током.

Вибрационный[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

  • Содержат проводник с током, удлиняющийся при нагреве, и рычажную систему, преобразующую это удлинение в движение стрелки.

Апериодический[править | править исходный текст]

Апериодическим называют гальванометр, стрелка которого после каждого отклонения становится тотчас в положение равновесия, без предварительных колебаний, как это бывает в простом гальванометре[11].

Прочие элементы и особенности конструкции[править | править исходный текст]

  • Балансирующие элементы. При отсутствии таковых гальванометр рассчитан на работу или только в горизонтальном положении шкалы, или только в вертикальном.
  • Арретир — элементы конструкции прибора, обеспечивающие фиксацию механизма в транспортном, нерабочем положении.
  • Успокоитель — воздушный (в виде лепестка, перемещающегося внутри специального профиля) или электромагнитный (короткозамкнутый виток). Служит для сведения к минимуму времени измерения. Может отсутствовать в баллистическом гальванометре.
  • Пружины, как правило, являются проводниками, по которым ток подаётся к рамке магнитоэлектрического или к подвижной рамке электродинамического прибора. В некоторых конструкциях осью и одновременно крутильным пружинами являются проводники, на которых растягивается рамка.
  • Крепление одной из пружин изготавливается поворотным и служит для установки стрелки в нулевое положение шкалы при отсутствии тока.
  • Как и в иных стрелочных измерительных приборах, шкала, помимо градуировки, может для повышения точности считывания показаний прибора иметь зеркало, в котором отражается часть стрелки прибора. Это зеркало облегчает правильное позиционирование глаза наблюдателя, при котором луч зрения перпендикулярен плоскости шкалы.
Современный зеркальный гальванометр от фирмы Scanlab

Зеркальный гальванометр[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

Измерительные приборы[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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

Современное состояние[править | править исходный текст]

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.).

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. 1 2 Марио Льоцци История физики — М.: Мир, 1970 — стр. 252
  2. 1 2 Гальванометр // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  3. Joseph F.Keithley. The story of electrical and magnetic measurement: from 500 B.C. to the 1940s. — New York: IEEE Press, 1999. ISBN 0-7803-1193-0. — стр.113
  4. Joseph F.Keithley. The story of electrical and magnetic measurement: from 500 B.C. to the 1940s. — New York: IEEE Press, 1999. ISBN 0-7803-1193-0. — стр.114
  5. J.Munro. Heroes of the Telegraph. — Project Gutenberg, 1999
  6. в различных источниках указываются даты от 1880 до 1886, прибор с подвижной катушкой запатентован Д’Арсонвалем в 1881, вероятно совершенствовался в дальнейшем
  7. Joseph F.Keithley. The story of electrical and magnetic measurement: from 500 B.C. to the 1940s. — New York: IEEE Press, 1999. ISBN 0-7803-1193-0. — стр.196
  8. видеоролик с коротким описанием гальванометра Д’Арсонваля-Дюпре
  9. Measuring invisibles Weston Electrical Instrument Corporation 1938 Newark N.J. — стр. 22
  10. Словарь естественных наук. Статья «Гальванометр»
  11. Апериодический гальванометр // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

Литература[править | править исходный текст]

Ссылки[править | править исходный текст]