При проведении опытов с электричеством всегда важно знать, куда течет электрический ток и как изменяются в раз­личных условиях его сила и напряжение. Для получения таких сведений незаменимым прибором является гальвано­метр.
Принцип гальванометра очень прост: внутри катушки из проволоки помещается на горизонтальной подвижной оси якорь, к которому прикреплена стрелка-указатель. Если пропустить по катушке электрический ток, в ней создастся электрическое поле, которое, воздействуя на якорь, накло­нит его, например, вправо. Если изменить направление тока, то якорь наклонится, наоборот, влево. При увеличении напря­жения, подаваемого на катушку гальванометра, стрелка его отклонится соответственно больше.
Есть много систем и конструкций гальванометров. Мы же опишем, как сделать гальванометр самой простой конструк­ции и в то же время вполне надежный в работе.
В качестве катушки для прибора можно употребить катушку от любого междулампового радиотрансформатора, используя ее первичную обмотку. Если же не окажется такой, то катушку надо сделать самому. Об изготовлении каркасов для катушек мы рассказывали в статье „Трансформатор\», поэтому не будем останавливаться на этом вопросе. Наша катушка должна иметь размер окна 50X30 мм и высоту 40 мм. Внешний размер щечек будет равен: 90X70 мм. На этот кар­кас наматывается медная изолированная проволока диаметром 0,1 или 0,2 мм. Можно применить и несколько толще про­волоку.
Каркас катушки показан на рис. 38 а.

Рис. 38. Детали гальванометра.

а—каркас катушки для гальванометра, б—стойка для якоря гальванометра, в—подвижная система гальванометра в собранном виде.

Стойка для якоря изготовляется из латуни толщиной в 1 мм по рис. 38 б. Прежде чем сгибать стойку, на пластинке с обеих сторон, отступя по 5 мм, делаются углубле­ния острием гвоздя. Для этого полоска кладется на доску, наставляется гвоздь и по нему слегка ударяют молотком, но так, чтобы гвоздь только вмял латунь, не пробивая ее насквозь. В этих углублениях будет помещаться ось якоря. Ось лучше изготовить из стальной проволоки толщиной 2 мм и длиной 18 мм. Концы оси затачиваются.
Для якоря гальванометра необходимо раздобыть кусок стальной пружины от патефона или кусочек пружинной стали. Длина якоря должна быть 36 мм. Точно в центре якоря про­сверливается отверстие диаметром 2 мм. Якорь надевается на ось с большим трением и закрепляется на середине оси.
Стрелка-указатель изготовляется из легкого металла — алюминия. Можно, в крайнем случае, сделать ее и латунной. На расстоянии 18 мм от широкого конца стрелки просвер­ливается отверстие диаметром 2 мм, и стрелка насаживается на ось. На нижний конец стрелки напаивается маленький кусочек олова—противовес. Ось должна располагаться пер­пендикулярно к якорю. После этого якорь необходимо намаг­нитить. Намагничивать якорь можно постоянным магнитом. Для этого, прижимая якорь одним полюсом магнита, несколь­ко раз проводят им от оси к концу. Затем вторым полюсом магнита также проводят несколько раз по противоположному концу якоря. Таким образом эта операция производится раз 10—15, после чего якорь будет представлять собой хороший постоянный магнит.
Подвижная система прибора в собранном виде показана на рис. 38 в.
Шкала изготовляется из тонкой латуни или алюминия размером 70X1Ю мм. На одной из сторон на расстоянии 40 мм от торца делаются надрезы по 15 мм с каждой стороны. Лапки загибаются под прямым углом и затем на расстоянии 10 мм от изгиба отрезаются. Эти лапки нужны для устойчивости шкалы. Деления на шкалу наносятся так: из плотной белой бумаги вырезается полоса, такая же по форме, как шкала. Затем ножки циркуля расставляют на 75 мм и, установив циркуль посредине нижнего конца шкалы на высоте 20 мм, на широ­ком конце наносят отрезок дуги. С центра восстанавливают перпендикуляр и на дуге делают отметку, а над ней ставят „О\». Затем от этой центральной точки по обе стороны дуги наносят равные деления через каждые 5 мм и на них ставят порядковые числа, начиная с 1.

Рис. 39. Гальванометр.
а—монтаж гальванометра, б—футляр гальванометра.

Теперь остается собрать гальванометр. Гальванометр собирается на доске размером 80X1Ю мм и толщиной в 15— 20 мм. На расстоянии 10 мм от переднего края и на расстоя­нии 30 мм от торцевых сторон делаются отверстия для клемм. Клеммы должны закрепляться с нижней стороны основания так, чтобы они не выдавались из него. В центре основания на таком же расстоянии друг от друга просверливаются шилом два отверстия для выводов катушки, и с нижней стороны основания эти отверстия соединяются канавками с отверсти­ями для клемм. В малые отверстия пропускают концы ка­тушки прибора, и последнюю приклеивают к основанию столярным клеем. Борт катушки должен не доходить на 5 мм
до заднего края основания. Концы катушки соединяются с ввинченными клеммами.
Бумажную шкалу также наклеивают на металлическое основание и затем, смазав клеем с обратной стороны узкую часть шкалы, вставляют последнюю в катушку и приклеи­вают к задней стороне окна.
Ось с якорем и стрелкой вставляются в углубления в стойке и весь этот механизм устанавливается в окне катуш­ки. Установив ось в центре, надо слегка качнуть стрелку. Если она, качнувшись несколько раз, остановится на нуле, можно всю эту систему закрепить в таком положении. Для этого ее вынимают, стойку с внешней стороны намазывают клеем и вставляют на прежнее место. Монтаж гальванометра со срезанной передней стенкой катушки показан на рис. 39 а.
Наш гальванометр может выдержать напряжение до 60 вольт. Большее напряжение не советуем включать—прибор может перегореть. Если же даже при малом напряжении — 8—12 вольт—стрелка прибора будет отклоняться до предела, то нужно увеличить противовес, напаяв еще кусочек олова.
Такой гальванометр можно с успехом использовать в каче­стве вольтметра, если его отрегулировать, как вольтметр, а также и в качестве амперметра.
Для того чтобы предохранить прибор от всяких случай­ных повреждений, его надо закрыть футляром. Футляр изго­товляется из фанеры или толстого картона. Размеры его
указаны на рис. 39 б. В окно футляра желательно вклеить слюду или тонкое стекло.
Градуировка прибора производится так:
Если.мы хотим использовать наш измерительный прибор-гальванометр в качестве вольтметра, то его надо включить параллельно с фабричным вольтметром и через реостат при­соединить к батарее или аккумулятору. Двигая ползун реостата, мы тем самым будем менять в цепи напряжение, стрелки приборов будут отклоняться и, согласно показаниям фабричного вольтметра, на шкале нашего прибора надо делать соответствующие отметки. Включение гальванометра для гра­дуировки под вольтметр показано на рис. 40 а.
Амперметр градуируется таким же способом, только вклю­чать в цепь его надо последовательно и через какую-нибудь нагрузку,— например, группу электролампочек от карманного фонаря. Лампочки должны быть соединены между собой параллельно. Включая различное количество электролампочек в цепь, мы тем самым будем менять силу потребляемого тока, на что нам будет указывать амперметр. Эти показания надо перенести на шкалу самодельного амперметра (см. рис. 40 б).
Вольтметр и амперметр, описанные здесь, могут быть использованы только при измерении постоянного тока.

Рис. 40. Градуировка гальванометра.
а—схема включения гальванометра для градуировки под вольтметр, б- схема включения гальванометра для градуировки под амперметр.

Гальванометр и его применение

Приборы и принадлежности: источник питания постоянного тока Б5-70, ампервольтметр М2018, реостат, лабораторная панель с гальванометром ЛМ, вольтметром М252, двумя магазинами сопротивлений.

В
ведение. Гальванометрами называются электроизмерительные при-боры, предназначенные для измерения малых величин тока, напряжения или прошедшего электрического заряда. В лабораторной практике применяются гальванометры различных конструкций с разнообразными электрическими и механическими параметрами. Но наибольшее распространение получили гальванометры постоянного тока магнитоэлектрической измерительной сис-темы, основное достоинство которых – высокая чувствительность. В этих приборах вращение подвижной части и связанного с ней указателя (стрелочного, светового) происходит в результате взаимодействия рамки с током и магнитного поля постоянного магнита (рис.1).

В воздушном зазоре между полюсами постоянного магнита 3 и неподвижного цилиндрического сердечника 5 создается радиальное магнитное поле. Подвижная рамка 7, укрепленная на растяжках 4, может поворачиваться вокруг сердечника 5 в поле магнита. К рамке 7 прикреплена указательная стрелка 2, сбалансированная противовесами 6. Электрический ток к измерительной рамке подводится по растяжкам 4.

Рассмотрим поведение рамки в данных условиях (рис.2).

П
ри протекании электрического тока I по обмотке рамки, состоящей из n витков тонкой проволоки, на вертикальные стороны b , находя-щиеся в радиальном магнитном поле, действует пара сил F , создающих вращающий момент,

(1)

где– магнитный момент рамки.

Величина вращающего момента равна

(2)

где s – площадь рамки.

Под действием этого момента рамка и связанная с ней стрелка поворачиваются до тех пор, пока момент упругих сил М уп , возни-кающих в растяжках при их кручении, не уравновесит момент М .

В положении равновесия

Здесь k – коэффициент упругости растяжек, – угол поворота рамки гальванометра.

Успокоение подвижной части происходит благодаря токам, индуцируемым в каркасе рамки и в ее обмотке, если последняя замкнута на внешнее сопротивление.

В положении равновесия при наличии в рамке тока I угол отклонения стрелки прибора составляет

(4)

Таким образом, угловое перемещение указателя пропорционально току, протекающему в рамке. Коэффициент пропорциональности S I называется чувствительностью гальванометра по току .

(5)

Из приведенного соотношения видно, от каких конструктивных параметров гальванометра зависит его чувствительность.

Величина, обратная чувствительности, называется постоянной по току

Однако, отклонение стрелки прибора удобнее измерять числом делений шкалы N , которое прямо пропорционально , поэтому заменим с I другой величиной – C I , назвав ее ценой деления шкалы по току

Цена деления измеряется в А/дел и показывает, какой ток нужно пропустить через гальванометр, чтобы его стрелка отклонилась на одно деление шкалы.

При токе I в рамке измерительного прибора на его зажимах создается напряжение

где R G – внутреннее сопротивление гальванометра. Следовательно, по отклонению стрелки можно определить напряжение на зажимах гальванометра, т.е. гальванометр в данном случае выполняет функцию вольтметра. Величина C U называется ценой деления шкалы по напряжению и измеряется в В/дел

(8)

Гальванометры с малым внутренним сопротивлением, предназначенные для измерения тока, называются микро амперметрами . При включении амперметра в цепь сопротивление ее почти не увеличивается и почти не изменяется протекающий ток.

Максимальный ток, который можно пропускать через рамку гальванометра, мал, по определению. Для расширения диапазона измеряемых токов используются шунты – резисторы, включенные параллельно измерительному прибору. При шунтировании только часть подлежащего измерению тока, причем малая, протекает через измерительный прибор и непосредственно воздействует на рамку, бóльшая проходит через шунт. Поэтому для ответвления бóльшей части тока требуется шунт малого сопротивления по сравнению с сопротивлением рамки R G . Таким образом, гальванометр с шунтом (амперметр) в целом будет обладать еще меньшим сопротивлением, чем R G .

Пусть необходимо измерить ток I 0 , в n раз больший, чем ток полного отклонения гальванометра I lim – ток, вызывающий отклонение стрелки на всю шкалу, он же – максимально допустимый (предельный ) ток прибора без шунта. Для расчета сопротивления шунта R s применим правила Кирхгофа к контуру, изображенному на рис.3,

(9)

Используя условие I 0 = nI lim , находим сопротивление шунта

Шунт обычно делают из отрезка высокоомного провода (константан, манганин) с удельным сопротивлением и сечением S s . Длина его рассчитывается по формуле

Г



альванометры, приспособленные для измерения разности потенциалов, можно называть вольтметрами. Сопротивление вольтметра должно быть значительно больше сопротивления участка цепи, на котором измеряется падение напряжения, чтобы включение вольтметра не вызывало нежелательного перераспределения тока между нагрузкой и измерительным прибором. Если внутреннее сопротивление гальванометра недостаточно, то последовательно с ним включают добавочный резистор R ad (рис.4).

Рис.3 Рис.4

Включение добавочного резистора R ad производится также в тех случаях, когда необходимо расширить пределы измерения прибора по напряжению. Величина R ad рассчитывается из условия, что ток в измерительном приборе не должен превышать ток полного отклонения гальванометра I lim . Применяя закон Ома для участка цепи

(12)

Если есть необходимость измерять напряжение U 0 , которое в m раз больше предельного напряжения U lim , измеряемого гальванометром напрямую U 0 = mU lim , то величина добавочного резистора рассчитывается следующим образом:

(13)

т.е. для расширения предела измерения по напряжению в m раз сопротивление добавочного резистора должно быть в (m -1 ) раз больше внутреннего сопротивления гальванометра.

Таким образом, для расчета сопротивления шунтов R s и добавочных резисторов R ad нужно знать внутреннее сопротивление данного гальванометра R G . Измерять его обычным способом, омметром например, нельзя, так как через гальванометр можно пропускать малый ток, значительно меньший, чем ток омметра. Поэтому поступают по-другому. Внутреннее сопротивление гальванометра, его чувствительность по току и по напряжению могут быть, в частности, определены путем измерений в электрической цепи, схема которой приводится на рис. 5. Здесь G – исследуемый гальванометр, ИП – стабилизированный источник постоянного тока со встроенным вольтметром, резисторы R 2 , R 3 составляют делитель напряже-ния, в то же время резистор R 2 является шунтом, а R 1 – добавочным сопротивлением к гальванометру.

Ток на участке АД , согласно закону Ома, равен

где (15)

U – напряжение на выходе источника питания ИП .

Тогда (16)

Падение напряжения на участке цепи АБ

(17)

По первому правилу Кирхгофа

Решая совместно уравнения (16,17,18) относительно I – тока в гальванометре, получим

(19)

где N – число делений, на которое отклонилась стрелка при токе I ,

Сделаем сопротивление R 1 =0 и с помощью переменных резисторов R 2 и R 3 установим стрелку гальванометра на крайнее правое оцифрованное деление шкалы. Этому состоянию соответствует число делений шкалы N lim и ток гальванометра I lim . Тогда формула (19) примет следующий вид:

(20)

Начнем понемногу увеличивать сопротивление R 1 , ток гальванометра будет уменьшаться. Остановимся на некотором значении R 1 i .Ток при этом будет I i I lim и стрелка установится на каком-то делении шкалы N i .

Из выражения (19) напишем следующее:

а из (20) –

Приравняв правые части выражений (21) и (22) и подставив R АБ и R 1 АБ , получим

Цена деления шкалы по току определяется из уравнения (20)

. (24)

Цена деления шкалы гальванометра по напряжению

Описание установки. На лабораторной панели установлены следующие приборы: гальванометр магнитоэлектрической системы типа ЛМ , два магазина сопротивлений Р33 в качестве резисторов R 1 и R 3 , переменный резистор R 2 на 1 Ом со ступенчатым регулированием через 0,1 Ом. В состав установки входит стабилизированный источник постоянного тока Б5-70 со встроенным вольтметром, дающий на выходе регулируемое напряжение 0…30 В, и многопредельный ампервольтметр.

Величина тока в гальванометре ограничивается тем, что резистор R 2 имеет малое сопротивление, а на резисторе R 3 устанавливается максимально возможное сопротивление, так что коэффициент деления напряжения становится порядка 10 6 .

Упражнение 1

Определение характеристик гальванометра

Измерения. 1.Подготовьте приборы к работе. Для этого установите R 1 =0 , R 2 =1 O м , R 3 – максимальное.

“ U ” на источнике питания ИП «Внеш/Внутр» – в положение «Внутр», переключатель индикации « V / A » – в положение « V »

3.Соберите электрическую цепь по схеме (рис.5) и предложите препо-давателю или лаборанту проверить ее.

4.Включите в сеть источник питания Б5-70 и установите ручкой регулятора “ U ” выходное напряжение 4…6 В.

5.Уменьшая сопротивление магазина R 3 (начиная со старшей декады), установите стрелку гальванометра на крайнее правое деление шкалы (на деление N lim ). Значения N lim и R 3 запишите в таблицу.

6.Подберите сопротивление магазина R 1 так, чтобы стрелка гальванометра установилась последовательно на N i =35; 25; 15 делениях шкалы. Значения N i и R 1 i запишите в таблицу.

Обработка результатов измерений. 1.По формулам (23, 24, 25) вычислите внутреннее сопротивление гальванометра, цену деления по току и по напряжению для каждого измерения. Найдите их средние значения.

2.Вычислите полуширину доверительного интервала по Стьюденту

3.Окончательный результат запишите в виде

с указанием коэффициента доверия.

4.В таком же виде запишите результаты определения цены деления шкалы гальванометра по току и цены деления по напряжению.

Упражнение 2

Работа гальванометра в качестве вольтметра

Как было сказано выше, гальванометр можно использовать в качестве вольтметра, если искусственно увеличить его сопротивление. Это достигается путем включения последовательно с измерительной рамкой добавочного резистора R ad . Наибольшее напряжение, которое можно измерить гальванометром напрямую, определяется ценой деления прибора по напряжению и количеством делений на его шкале N lim , т.е. U lim =C U N lim .

Измерения. 1.Рассчитайте величину добавочного сопротивления по формуле (13) для указанного преподавателем предела измеряемого напряжения U 0 (но не более 30 В, которое обеспечивает данный источник питания). Коэффициент расширения предела m = U 0 / U lim .

2.Перед сборкой цепи ручку регулировки “ U ” на источнике питания ИП поставьте на минимальное выходное напряжение, переключатель «Внеш/Внутр» – в положение «Внутр», переключатель цифрового индикатора « V / A » – в положение « V » (измерение выходного напряжения).

3
.Соберите электрическую цепь по схеме (рис.6). Роль добавочного резистора пусть выполняет, например, магазин сопротивлений R 1 . В качестве образцового вольтметра V используйте многопредельный ампервольтметр М2018.

4.Предложите лаборанту или преподавателю проверить цепь.

5.Установите на магазине R 1 рассчитанную величину R ad . Ваши дальнейшие действия позволят проверить правильность сделанного расчета, а также проградуировать вольтметр, сконструированный на базе гальванометра, по контрольному вольтметру V .

6.Увеличивая выходное напряжение источника ИП, выведите стрелку гальванометра на крайнее правое оцифрованное деление шкалы. Если сопротивление добавочного резистора рассчитано и установлено правильно, то контрольный вольтметр при этом должен показывать заданное напряжение U 0 . Если это условие не выполняется, то необходимо подобрать на магазине R 1 величину сопротивления, которая удовлетворила бы поставленному требованию. Найденное опытным путем значение добавочного сопротивления запишите, назвав его экспериментальным .

7.Установите на магазине R 1 оптимальное значение добавочного сопротивления и проведите градуировку сконструированного таким образом вольтметра на базе гальванометра. Для этого ручкой регулировки выходного напряжения источника ИП поочередно устанавливайте стрелку гальванометра на каждое оцифрованное деление его шкалы и записывайте показания контрольного вольтметра V в заранее подготовленную таблицу.

8.По полученным результатам постройте градуировочный график , на котором по оси абсцисс отложите деления шкалы гальванометра, по оси ординат – показания контрольного вольтметра V .

Упражнение 3

Работа гальванометра в качестве амперметра

Пределы измерения гальванометра по току можно существенно расширить с помощью шунтов, превратив его тем самым в амперметр.

Измерения. 1.Рассчитайте сопротивление шунта по формуле (10), чтобы предел измерения по току расширить до I 0 =45 мА (или 90 мА) . Большее расширение пределов в условиях учебного практикума невозможно реализовать, если в качестве шунта использовать магазин Р-33. Если такая необходимость возникает, то шунт изготавливают из константановой или манганиновой проволоки (ленты) и подгоняют его сопротивление индивидуально (см. формулу (11). Коэффициент расширения пределов n = I 0 / I lim , где I lim – ток полного отклонения гальванометра, он определяется через постоянную по току C I , найденную в упр.1, и число делений всей шкалы I lim = C I N lim .

2.Перед сборкой цепи реостат R (500…600 Ом), используемый в качестве нагрузки, поставьте на наибольшее сопротивление, чтобы нечаянно не устроить короткое замыкание.

    На источнике питания ИП ручку регулировки выходного напряжения установите на минимум, переключатели: один – в положение «Внутр», другой – в положение « V ».

Рис.7 3.Соберите электрическую цепь по схеме (рис.7). В качестве образцового миллиамперметра mA используйте ампервольтметр М2018 c подходящим пределом измерения.

4.Предложите преподавателю или лаборанту проверить собранную цепь.

5.Установите на магазине R 1 рассчитанное Вами сопротивление шунта R s на выбранный предел измерения тока.

6.Включите источник питания в сеть. Увеличивайте медленно и плавно выходное напряжение источника, наблюдая за показаниями гальванометра, доведите стрелку гальванометра до наибольшего оцифрованного деления шкалы. Если шунт рассчитан и установлен правильно, то показания контрольного миллиамперметра будут совпадать с заданным предельным значением тока I 0 , если же будут отличаться, то отличие не должно быть значительным.

7.Проградуируйте шкалу гальванометра, работающего теперь как амперметр, в единицах силы тока. Для этого медленно понижайте выходное напряжение источника, останавливайтесь на каждом оцифрованном делении его шкалы и записывайте в подготовленную таблицу показания контрольного миллиамперметра mA .

8.Постройте градуировочный график, на котором по оси абсцисс откладывайте показания гальванометра в делениях шкалы, а по оси ординат – показания контрольного миллиамперметра mA .

Контрольные вопросы

1.Рассмотрите устройство и принцип действия приборов магнито-электрической системы.

2.Что такое гальванометр? Что специфического в его конструкцию надо заложить, чтобы он отвечал своему предназначению?

3.За счет чего достигается высокая чувствительность гальванометра к току? Выведите формулу чувствительности.

4.Почему рамка гальванометра наматывается на алюминиевый каркас, а не на пластмассовый, например?

5.Зачем в зазор магнита помещается цилиндрический сердечник из магнитомягкого железа? Что будет без него?

6.Почему рамка подвешивается на растяжках, а не устанавливается на полуосях как в других электроизмерительных приборах?

7.Как можно расширить диапазон измерения гальванометра по току? Рассчитайте шунт на заданный предел измерения тока. Можно ли на основе данного гальванометра изготовить амперметр на 100 А?

8.Как расширить пределы измерения гальванометра по напряжению? Рассчитайте добавочное сопротивление, например на 100 В.

1.Кортнев А.В., Рублев Ю.А., Куценко А.Н. Практикум по физике. М.: Высшая школа, 1963. С.214.

2.Попов В.С. Электрические измерения. М.: Энергия, 1974. С. 72-76.

3.Савельев И.В. Курс общей физики: Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1998. Кн.2. С. 123-132.

Лабораторная работа >> Промышленность, производство

И RG - соответственно сила тока в гальванометре и его сопротивление. Так как при компенсации... (2) 3. Описанный выше простейший способ применения компенсационного метода измерения эдс отличается... магазина R2 такую его часть, чтобы ток в гальванометре был равен...

Гальванометр – это очень чувствительный прибор, предназначенный для измерения напряжения или силы тока весьма малой величины. Гальванометр, также, часто используют для определения отсутствия тока в электрической цепи, в качестве, так называемых, нуль-индикаторов.

Данные электроизмерительные приборы делятся на гальванометры постоянного или переменного тока.

Гальванометр был изобретен в начале 20-х годов XIX века. Первые приборы имели довольно простое устройство и принцип работы. Они состояли из магнитной стрелки, которая, будучи подвешенной, внутри проволочной катушки, определенным образов реагировала на наличие или отсутствие электрического тока в цепи. В том случае, если тока нет – стрелка замирала в определенном положении, в соответствие с имеющимся магнитным меридианом. При появлении тока, стрелка откланялась, определяя, таким образом, величину измеряемого напряжения.

Впоследствии было создано довольно много разновидностей гальванометра данной конструкции, которые очень широко применялись для разного рода физических исследований, в том числе и для изучения электромагнитных явлений.

В конце 19 века был создан первый гальванометр с подвижной катушкой. Конструктивной особенностью гальванометра такого типа, являлся проводник с током, помещенный в постоянное магнитное поле, который и являлся подвижным элементом прибора, т.е. указателем.

В зависимости от конструкции, гальванометры такого типа подразделяются на рамочные, петлевые или струнные.

Рамочные гальванометры. Их подвижная часть представляет собой рамку с несколькими витками проволоки. Протекающий через рамку электрический ток, вступает во взаимодействие с магнитным полем. Вследствие этого создается вращающий момент, который вызывает отклонение подвижной части гальванометра, и, соответственно, перемещает стрелку указателя.

По такому же принципу работают петлевые и струнные гальванометры. Единственное отличие заключается в строении их подвижной части. В случае петлевых – это проволочная петля из одного витка, а в струнных – подвижная часть представляет из себя натянутый провод.

Существуют и другие виды гальванометров . Зеркальный, к примеру, обладает большей чувствительностью. В этом случае, на подвижной части располагается не стрелка, а небольшое зеркальце. Принцип работы зеркального гальванометра весьма прост. Луч света от осветителя падает на зеркало. В зависимости от положения подвижной части, он отражается под разным углом и падает на измерительную шкалу, определяя, таким образом, необходимые данные.

Одной из разновидностей такого прибора, является гальванометр со световым отсчетом. В этом случае, для получения необходимой длины светового луча, применяют определенную систему зеркал, получая от них многократное отражение.

Современные гальванометры позволяют определять самые различные показатели, связанные с величиной и напряжением тока. К тому же, это довольно высокоточные приборы.

Для определения количества электричества при продолжительных (вплоть до 2-х секунд) импульсов тока, применяют баллистические гальванометры . При прохождении по обмотке прибора электрического импульса, возникает так называемый баллистический эффект, отбрасывающий подвижную часть. В результате указатель смещается с нулевого положения, и после нескольких колебаний возвращается обратно.

Вибрационные гальванометры переменного тока предназначены для определения малых значений силы тока или его напряжения. Такие гальванометры снабжены специальным преобразователем переменного тока в постоянный. Принцип их работы тот же. Единственное отличие состоит в том, что подвижная часть подобных приборов имеет довольно низкий момент инерции.

Термогальванометр – это одна из разновидностей гальванометра . Прибор предназначен для измерения переменного тока и снабжен термопреобразователем, состоящим из подвижной рамки в виде одного витка проволоки. Виток биметаллический, т.е. изготовлен из различных металлов. Таким образом, рамка представляет из себя термопару. У одного из сплавов, к которому подводится измеряемый ток, расположен нагреватель. При прохождении электричества, в петле возникает термоток, что и приводит её в движение, отклоняя от нулевого положения.

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.

Принцип действия

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

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

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

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

Разновидности и устройство

Магнитоэлектрический

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 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

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

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:

Из тангенциального закона, , т.е.

или , где K - понижающий коэффициент тангенциального гальванометра.

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

Измерение геомагнитного поля Земли

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

Электродинамический

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

Вибрационный

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

Тепловой

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

Апериодический

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

Прочие элементы и особенности конструкции

  • 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

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

Применение

Измерительные приборы

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

  • 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 электрических цепях. Для этого он обычно исполняется с нулевым положением стрелки посередине шкалы.

Механическая запись электрических сигналов

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

Оптическая развёртка

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

Современное состояние

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

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