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...

16 сентября 1820 года . «Мультипликатор» Швейггера можно считать первым гальванометром (точнее, гальваноскопом).

Термин «гальванометр» впервые появился в 1836 году , произошёл от фамилии учёного Луиджи Гальвани .

Основная чувствительность гальванометра может быть, например, 100 мк (при падении напряжения, скажем, 50 , 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.

Магнитоэлектрический гальванометр представляет собой проводящую рамку (обычно намотана тонким проводом), закреплённую на оси в магнитном поле постоянного магнита . При отсутствии тока в рамке рамка 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 гальванометр - 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 гальванометр созданный компанией Баннела около 1890 года.

Тангенциальный гальванометр - один из первых гальванометров, использовавшихся для измерения электрического тока . Работает с помощью компаса, который используется для сравнения магнитного поля, создаваемого неизвестным током, с магнитным полем Земли. Своё название прибор 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 её центр. Компас расположен горизонтально и в центре круговой шкалы. Круговая шкала разделена на четыре квадранта, каждый из которых проградуирован от 0° до 90°. К магнитной стрелке компаса прикреплён 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. Ток создаёт 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.

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

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 подаётся напряжение, которое регулируют реостатом до такой величины, чтобы стрелка отклонилась на угол 45 и величина магнитного поля на оси катушки становится равной горизонтальной составляющей геомагнитного поля Земли. Это поле можно рассчитать через ток, измеренный амперметром, число витков катушки и её радиус.

В качестве подвижного и неподвижного элемента используются катушки с током. Частный случай - низкочастотный аналоговый ваттметр .

Вибрационные гальванометры являются разновидностью зеркальных гальванометров. Собственная частота колебаний движущихся частей настроена на строго определённую частоту, обычно 50 или 60 Гц . Возможны более высокие частоты до 1 Гц . 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 гальванометр состоит из проводника с током, удлиняющимся при нагреве, и рычажную систему, преобразующую это удлинение в движение стрелки.

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

Большой точности измерений, а также наибольшей скорости реакции стрелки можно достигнуть, используя зеркальный гальванометр, в котором в качестве указателя используется небольшое зеркальце. Роль стрелки играет луч света, отражённый от зеркала. Зеркальный гальванометр был изобретен в 1826 году Иоганном Христианом Поггендорфом .

Зеркальные гальванометры широко использовались в науке, до того как были изобретены более надёжные и стабильные электронные усилители . Наибольшее распространение они получили в качестве записывающих устройств в. На основе гальванометра можно построить) в фотографии, измерителя разности температур и т. п.. Для этого он обычно исполняется с нулевым положением стрелки посередине шкалы.

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.

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

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 выпускаются устройства для отклонения луча лазера в лазерной технологии и установках для лазерных шоу (англ.) .

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 2x15°. 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.

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) . 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 К 0 , 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) (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 К 0), 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 К 0 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 К 0) характеризуются следующими данными:

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 К 0 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 α р и переходного отклонения, определяемого начальными условиями. В зависимости от величины коэффициента успокоения В это отклонение м. б. апериодическим или колебательным. Апериодическое движение, когда В 2 >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 В 2 ≤4∙I∙D.

Затухающие колебания , В 2 <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 w 0 , 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 = t 1 , 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:

Круговая частота, а Т 0 - период колебания. С этими обозначениями формула (4) может быть записана в виде:

Критический случай , B 2 =4∙I∙D. Этот случай находится на границе между колебательным и апериодическим движением. Рассмотрим только случай, когда система под влиянием толчка приобретает начальные значения α 0 = 0, (dα/dt) 0 = w 0 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/α max = s и v 0 t = х, из уравнения (11) получаем:

Т. о., при соблюдении условия B 2 =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 Т 0 свободных незатухающих колебаний (В = 0). Если, например, τ = 4 сек. при критическом затухании, то через 40 сек. отклонение α уже становится равным 0,001 α mах, и гальванометр снова м. б. включенным. Формула (2) показывает, что отклонение α р 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 α р тоже переменно с тем же периодом, как и i. В этом случае α р 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 w 0 в конце разряда определится по формуле:

Если начать отсчет времени с момента конца разряда t = ε, то мы получаем начальные условия α 0 = 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 α mах так:

При колебательном движении заряд q определяется достаточно точно из двух последовательных амплитуд α 1 , α 2:

где α р - 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» (S T) 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 S T 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, М 1 - магнитный момент ее части, подвергающейся действию тока, H 1 - 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:

M 1 G - динамическая постоянная гальванометра, т. е. момент вращения подвижной системы от тока 1 мкА; МН 1 = 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 М 1 и G, уменьшая М и Н 1 ; но последнее ведет к увеличению Т, поэтому необходимо компенсировать это последнее, уменьшая I. Если система не астазирована, то М 1 = 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 M 1 /M, так как для двух стрелок с магнитными моментами m 1 и m 2 и углом между магнитными осями δ отношение

м. б. сделано сколь угодно большим при надлежащем подборе δ и величин m 1 и m 2 . Уменьшение Н 1 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 β 1 , β 2 , β 3 , . . . - коэффициенты. Тогда, при данном габарите,

следовательно,

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

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, n 0 - успокоение в разомкнутой цепи. Чувствительность Р для напряжения будет:

Подобными же рассуждениями устанавливается чувствительность баллистического и других гальванометров.

Гальванометр, электромагнитный прибор, служащий для измерения силы электрического тока. Хронологически первый принцип устройства гальванометр состоит в отклоняющем действии электрического тока на подвижную магнитную стрелку.

Пусть электрический ток проходит в направлении ABCDF (рис. 1) по проволоке, изогнутой в форме прямоугольника, плоскость которого поставлена в магнитном меридиане; в таком случае магнитная стрелка аb, которая при отсутствии тока оставалась бы в плоскости проволоки, отклонится северным полюсом a к западу. Чем сильнее ток, тем больше отклонение. Этот принцип устройства гальванометра был указан в 1820 г. Ампером; ему же принадлежит и термин гальванометр

Отклоняющее действие тока увеличивается, если вместо одного проволочного прямоугольника ABCDF взять несколько оборотов (изолированной) проволоки, свернутых в виде катушки; такое приспособление, устроенное впервые Швейгером, носит название мультипликатора .

На рис. 2 изображен гальванометр Нобили , построенный в 1826 г.; этот прибор можно найти и в настоящее время во всяком физическом кабинете. Здесь применена так называемая астатическая (см.) система стрелок (рис. 3); она подвешена на коконовой нити L, которая при помощи винта К может быть (без кручения) подтянута кверху или опущена. Нижняя стрелка n′s, астатической системы помещается внутри мультипликатора А (с левой стороны его видна проволочная обмотка, навитая на особой деревянной рамке); верхняя стрелка sn находится снаружи, выше медного круга с делениями S, и бывает снабжена указателем для отсчитывания делений. Стеклянный колпак РР′ защищает аппарат от воздушных течений. СС суть т. н. борны , т. е. точки, соединение которых с концами гальванической цепи вводит мультипликатор в эту цепь.

С помощью гальванометр Нобили можно отсчитывать отклонения стрелки с точностью примерно до полуградуса. Гораздо большая (в сотни раз) точность достигается в тех гальванометрах, где применен так называемый зеркальный отсчет. Этот метод, изобретенный Погендорфом, объясняется на рис. 4.

Здесь s есть маленькое и легкое зеркальце, прикрепленное к нити, на которой висит магнитная стрелка гальванометра; f - зрительная труба, направленная к зеркальцу и находящаяся от него на расстоянии до нескольких метров; с - разделенная шкала. Плоскость чертежа, в которой находятся все эти предметы, горизонтальна. Наблюдатель, смотрящий в трубу f, видит изображение шкалы в зеркальце; данное положение магнитной стрелки характеризуется тем делением шкалы, которое совпадает с вертикальной нитью нитяного креста зрительной трубы. Но стоит зеркальцу s на тысячную долю градуса повернуться около вертикальной оси, - и наблюдатель видит, что на вертикальной нити приходится уже другое деление шкалы. Этот способ применен, например, в гальванометре Видемана , простейшая форма которого изображена на рис. 5.

Здесь роль магнитной стрелки, а вместе с тем и роль зеркальца, играет отполированный стальной кружок NS, намагниченный по направлению горизонтального диаметра и подвешенный на коконовой нити внутри толстостенной медной муфты А; стеклянные окошечки в муфте предохраняют его от действия воздушных течений. На муфту А могут быть надвинуты катушки изолированной проволоки ВВ, по которым пропускается измеряемый ток. Прибор устанавливается так, чтобы магнитная ось магнита NS находилась в магнитном меридиане и была перпендикулярна к оси муфты и катушек. После того как ток пропущен чрез катушки, магнит NS приходит в колебание, но скоро (спустя 4-6 секунд) успокаивается, потому что в муфте А вследствие его движений развиваются индукционные токи, которые своим электродинамическим действием по закону Ленца противодействуют движениям магнита; так. обр., муфта А служит т. н. успокоителем или демпфером. Магнитное действие земли может быть ослаблено посредством т. н. компенсирующего магнита, который, находясь под доской, поддерживающей части прибора, может быть установлен так, чтобы он в месте, занимаемом стрелкой NS, производил почти однородное поле, противоположное земному полю. Этим увеличивается чувствительность прибора; обратной манипуляцией она может быть уменьшена.

В гальванометре Томсона (Кельвина) употреблена астатическая магнитная система, причем каждая из двух стрелок составлена из нескольких, маленьких (не более сантиметра в длину) и тонких намагниченных стальных полосок, наклеенных на слюдяной листочек (рис. 6). К верхнему листочку приклеено слегка вогнутое зеркальце той же величины. Успокоение колебаний подвижной системы здесь не электрическое, как в гальванометре Видемана, а воздушное: оно достигается при помощи тонкой слюдяной пластинки, прикрепленной к подвижной системе и испытывающей сопротивление воздуха во время качаний. В хорошо построенных приборах вес стрелок и зеркальца не превышает 1 / 20 грамма: вследствие незначительной инерции колеблющейся системы, продолжительность качания делается весьма малой. Общий вид прибора дан на рис. 7.

Обмотка состоит из двух пар катушек (одна пара - вверху, другая - внизу); обыкновенно она делается из очень тонкой проволоки и имеете большое сопротивление - до 10 000 Ом. Над прибором помещается магнит, который, находясь на неодинаковых расстояниях от обеих стрелок, производит на их систему некоторое направляющее действие. Он может быт поднят или опущен (при этом изменяется чувствительность прибора), а также может быть повернут около вертикальной оси (это позволяет установить подвижную систему в «нулевое» положение). Томсон употребил в своем приборе объективный способ зеркального отсчета, имеющий то преимущество, что он гораздо менее утомляет наблюдателя, чем способ телескопический. Лучи источника света (рис. 8), пройдя через узкую щель и чрез выпуклую линзу, падают на зеркальце прибора и, отразившись от него, дают действительное изображение щели (так называемый «световой зайчик») на шкале, разделенной на миллиметры; понятно, что при отклонении стрелки прибора «зайчик» перемещается. Чувствительность гальванометра Томсона весьма велика: она может достигнуть 10 -11 ампера (это значит, что при токе такой силы, проходящем чрез обмотку, зайчик перемещается на 1 миллиметр, при расстоянии шкалы в 1 метр).

Правая часть рис. 7 изображает так называемый шунт (shunt) - приспособление, дающее возможность менять чувствительность гальванометра в весьма широких пределах. Шунт представляет собой ответвление, проложенное между борнами гальванометра и позволяющее только определенной доле (например, 1 / 10 , или 1 / 100 , или 1 / 1000) измеряемого тока пройти чрез обмотку гальванометра. Панцирный гальванометр Дюбуа и Рубенса изображен на рис. 9.

Здесь магнитная стрелка и обмотка могут быть окружены двумя парами концентрических железных полушарий (одно из них на рисунке изображено снятым); кроме того, прибор может быть помещен в железный цилиндр. Цель этого приспособления состоит в том, чтобы предохранить магнитную систему гальванометра от возмущающего действия, производимого магнитными полями различных электротехнических установок, в частности - трамвайных проводов. Для более полной компенсации земного поля, к прибору присоединены две пары магнитов (одна пара видна вверху, другая - в промежутке между панцирями). Подвижная система подвешивается на кварцевой нити; эти нити имеют то преимущество пред шелковыми, что они могут быть сделаны чрезвычайно тонкими (до 1 / 1000 миллиметра), отчего уменьшается оказываемое ими сопротивление кручению и увеличивается чувствительность прибора.

Иной, сравнительно с предыдущими образцами, тип гальванометров представляют гальванометры с вращающейся катушкой . Из них опишем гальванометр Депре и д"Арсонваля (рис. 10).

Прямоугольная катушка, образованная значительным числом оборотов тонкой проволоки, может вращаться около вертикальной оси, составленной двумя проволоками; через одну из них исследуемый ток входит в катушку, через другую выходит. Катушка эта помещается в магнитном поле, создаваемом полюсами подковообразного магнита и цилиндром из мягкого железа, который помещен в междуполюсном пространстве. Когда по катушке проходит ток, то сила взаимодействия между током и магнитом стремится поставить плоскость катушки перпендикулярно к направлению силовых линий магнита; действие этой силы уравновешивается силой кручения проволоки подвеса. Успокоение (производимое индуктивными токами) очень сильно, так что колебаний подвижной системы может вовсе не быть (такое свойство гальванометра называется апериодичностью ). Отклонения отсчитываются с помощью зеркальца, прикрепленного к вращающейся катушке.

Гальванометры такого устройства имеют широкое применение в технике, благодаря своей нечувствительности к посторонним магнитным силам: ими можно пользоваться при измерениях вблизи динамо-машин, где гальванометры с магнитной стрелкой неприменимы. Зато приборы этого рода обладают меньшей чувствительностью, чем раньше описанные.

Перечисленные выше приборы изготовляются во множестве видоизменений, отличающихся теми или другими деталями устройства. Кроме того укажем еще ряд приборов, замечательных в каком-либо отношении. По своеобразию устройства интересен струнный гальванометр (впервые построенный Адером в 1897 г.): тончайшая металлическая (или посеребренная кварцевая) нить натягивается вертикально между полюсами сильного магнита или электромагнита, помещенного горизонтально. Если по нити пропустить ток, то электромагнитная сила вызывает прогибание ее; этот прогиб измеряется помощью микроскопа. Прибор обладает высокой чувствительностью и имеет то преимущество пред другими гальванометрами, что его нить, благодаря ничтожности ее инерции, весьма быстро реагирует на всякое изменение тока. Поэтому струнный гальванометр часто употребляется (например, в физиологических опытах) в соединении с регистрирующим аппаратом, который фотографическим путем отмечает положение маленького участка нити на быстро движущейся ленте. Видоизменения струнного гальванометра были построены физиологом Эйнтховеном и конструктором Эдельманом; прибор последнего изображен на рис. 11.

Так называемая тангенс-буссоль или тангенс-гальванометр (впервые построен Пулье в 1837 г.) изображается на рис. 12.

Этот прибор в простейшей форме состоит из медного кольца О (иногда вместо одного кольца берется рама, на которую намотано несколько оборотов проволоки), вводимого в цепь при помощи зажимов d и b. В центре кольца находится маленькая магнитная стрелка, снабженная указателями для отсчета делений на разделенном горизонтальном круге. Плоскость кольца устанавливается в магнитном меридиане; таким образом, при отсутствии тока стрелка располагается в плоскости кольца. Теория показывает, что тангенс угла отклонения стрелки от этого положения пропорционален силе тока, проходящего по кольцу; тангенс-буссоль дает возможность производить прямые абсолютные измерения силы тока, тогда как все предыдущие приборы обыкновенно употребляются лишь для сравнительных измерений.

Баллистическим гальванометром называется такой, у которого период колебаний подвижной системы настолько велик, что за время прохождения через его обмотку мгновенного (разрядного, индукционного) тока эта система не успевает заметно сместиться. Теория показывает, что при этих условиях величина первого отклонения подвижной системы может служить мерой протекшего через гальванометр количества электричества. В качестве баллистических часто применяются гальванометры типа Депре-д"Арсонваля.

В дифференциальном гальванометре обмотка состоит из двух равных катушек, по которым могут быть пропущены два различных тока так, чтобы они отклоняли стрелку в противоположные стороны. Если при этом стрелка остается в том же положении, как и в отсутствии токов, то, значит, пропущенные токи равны друг другу. Таким образом, дифференциальный гальванометр может служить для констатирования равенства сил двух токов. В качестве дифференциального можно употреблять описанные выше гальванометры Томсона и Видемана.

Универсальный гальванометр Сименса (рис. 13) представляет сочетание гальванометра с Уитстоновым мостом; с помощью этого прибора можно измерять не только силы токов, но также электродвижущие силы и сопротивления.

Близко к гальванометрам стоят по своему назначению (а иногда и по устройству) амперметры , или амметры , и вольтметры , употребляемые, главным образом, для технических целей. Амперметром называется прибор, обладающий указателем и шкалой, градуированной в амперах (или долях ампера), и позволяющий непосредственно измерять силу тока в цепи; вольтметр, имея шкалу, градуированную в вольтах, употребляется для измерения электродвижущих сил или разностей потенциала. Представим себе, что гальванометр А с очень малым сопротивлением (как, например, у тангенс-буссоли) включается в гальваническую цепь, питаемую источником В (рис. 14); тогда включение гальванометра почти не изменит ни сопротивления цепи, ни силы тока, и следовательно показание, даваемое гальванометром, будет определяться исключительно силой тока в цепи. Придав такому гальванометру шкалу и указатель, получим амперметр. С другой стороны, представим себе, что гальванометр V с очень большим сопротивлением (или вообще какой-нибудь гальванометр с присоединенным к нему последовательно большим сопротивлением R, рис. 15) присоединяется к точкам а и b цепи. Тогда в ответвление aRVb пойдет лишь ничтожная доля всего тока, и распределение потенциала в цепи BabB почти не изменится; отклонение гальванометра V будет определяться разностью потенциалов точек а и b. Снабдив такой гальванометр указателем и соответственно проградуированной шкалой, получим вольтметр.


Наиболее употребительны амперметры и вольтметры трех типов: 1) с постоянным магнитом и подвижной катушкой; 2) с подвижным куском мягкого железа; 3) с тепловым расширением проволоки. Инструменты первого типа по устройству аналогичны описанному выше гальванометру Депре и д"Арсонваля; внутреннее устройство такого инструмента показано на рис. 16 (причем один из полюсных наконечников магнита отнят, чтобы можно было видеть катушку). Направляющее действие производится на катушку двумя часовыми пружинками; они же служат для подводки тока.

Инструменты второго типа имеют весьма разнообразное устройство. В одних (как на рис. 17) вертикальный железный стержень (с которым, при помощи рычажной передачи, соединен указатель) висит на пружине над вертикальной катушкой и втягивается в последнюю более или менее, смотря по силе проходящего чрез катушку тока; в других (рис. 18) овальная железная пластинка I, могущая вращаться около эксцентрической оси S, втягивается в полость катушки С; Р есть указатель, у которого на верхнем конце находится дуга W с поршнем D; при движении в трубке АВ поршень испытывает сопротивление воздуха, демпфирующее колебания подвижной системы.


Инструменты третьего типа основаны на совершенно ином принципе, чем все ранее описанные: а именно - на том, что проволока, по которой проходит ток, нагревается, и вследствие этого удлиняется. Внутреннее устройство прибора этой категории показано на рис. 19.

Упругость часовой пружины r стремится двигать указатель вправо по шкале; этому препятствует натяжение проволочного многоугольника edca. Но если по платино-серебряной (или платино-иридиевой) проволочке ab пропущен ток, то она удлиняется, и указатель, соответственно этому удлинению, перемещается. Приборы этого рода имеют то преимущество, что показания их совершенно не зависят от внешнего магнитного поля и от его возмущений.

Инструменты последних двух типов дают отклонение указателя всегда в одну и ту же сторону, независимо от направления тока; они пригодны не только для постоянных, но и для переменных токов.

Амперметры более высокой чувствительности обыкновенно снабжаются шунтами; пользуясь соответственным шунтом или не пользуясь никаким, мы можем с помощью одного и того же прибора измерять токи, порядок которых соответственно был бы равен, например, 1 амперу, 1/10, 1/100 и 1/1000 ампера.