Гальванометр — чувствительный магнитоэлектрический измерительный прибор, используемый для измерения малых значений от электрического тока (обнаруживает даже миллионную долю ампера), его также можно использовать для сигнализации о состоянии равновесия электрического моста. Гальванометр широко использовался в прецизионных измерительных приборах в XX веке, позже его заменили электронные методы измерения.
Гальванометр — электроизмерительный прибор, предназначенный для измерения малых значений тока, напряжения и электрического заряда.
Гальванометр был изобретен в 1820 году немецким физиком Иоганном Саломо Кристофом Швайггером сразу после открытий Эрстеда и Ампера.
Гальванометр использовался английским физиком-экспериментатором Майклом Фарадеем в своих экспериментах. Он показал, среди прочего, что ток в проводнике течет только тогда, когда магнит входит в катушку или выходит из нее. Когда магнит находится снаружи или внутри катушки и не движется, ток не течет. Таким образом, он стал первооткрывателем явления электромагнитной индукции.
В настоящее время к гальванометрам относят приборы, имеющие высокую чувствительность к току или напряжению. Из них массовое распространение получили только приборы магнитоэлектрической системы. Другие же системы гальванометров либо имеют теперь исторический интерес, либо изготовляются, несерийно и применяются редко, для специальных задач.
Наиболее распространены гальванометры двух модификаций:
-
приборы с подвижной рамкой, к которым относится большинство типов гальванометров;
-
приборы с подвижным магнитом, к которым относится так называемый вибрационный гальванометр.
Характерной особенностью гальванометров, отличающей их от других приборов для измерения тока, является наличие неградуированной шкалы. Сами шкалы гальванометров бывают двух видов: встроенные и отдельные, устанавливаемые вне корпуса гальванометра.
Встроенной шкалой снабжаются гальванометры со стрелочным или внутренним световым отсчетом, отдельной шкалой — гальванометры с внешним световым отсчетом. В первом случае в паспорте серийных гальванометров указывается цена деления шкалы, например: 1 деление = 0,5∙10-6 А, во втором случае — приблизительное значение постоянной по току (или по напряжению), приведенной к расстоянию от шкалы до зеркала гальванометра в 1 м, например: С1 = 2,2∙10-9 А/(мм/м).
Установление более точного значения «постоянной», а также градуировка шкалы, если это нужно, производятся экспериментально для каждого отдельного гальванометра в конкретных условиях его применения
Диапазон измеряемых гальванометрами токов весьма обширен, он охватывает шесть порядков величин: от 10-5 до 10-11 А. Соответственно этому отдельные типы гальванометров резко отличаются друг от друга по чувствительности, а следовательно, и по конструкции.
Измерительная система классического гальванометра с постоянным магнитом и подвижной катушкой с указателем
Уровень чувствительности прибора определяет способ установки подвижной части. По последнему признаку все гальванометры можно разделить на три группы: приборы с подвижной частью на кернах, имеющие сравнительно невысокую чувствительность, на растяжках — средней чувствительности, на подвесе — высокой чувствительности.
Задачи, разрешаемые гальванометрами в технике электрических измерений, таковы:
-
Фиксирование режима отсутствия тока при нулевых методах измерений. Приборы этого назначения называют нулевыми индикаторами.
-
Измерение малых токов и напряжений. Гальванометры, предназначенные для этой цели, принципиально могут служить также и нулевыми индикаторами. Однако обратного заключения делать нельзя, так как не все нулевые индикаторы пригодны в качестве измерителей тока.
-
Измерение количества электричества. Приборы этого назначения можно называть интегрирующими. При определенных условиях (баллистический режим) многие типы гальванометров интегрируют более или менее короткий импульс тока, т. е осуществляют измерение количества электричества. Кроме того, существует еще специальный гальванометр, называемый флюксметром, который интегрирует длительные импульсы, а также непрерывно изменяющиеся кривые тока. Применение гальванометров в качестве измерителей количества электричества характерно для области магнитных измерений.
Школьный гальванометр 1971 года выпуска
Проводящая проволока с электрическим током, помещенная в магнитное поле, испытывает действие поперечной силы. Если концы проволоки закреплены, а средняя часть может свободно перемещаться, то проволока принимает форму цепной линии. Такое устройство, положенное в основу струнного гальванометра.
Смещение проволоки зависит от напряженности магнитного поля, значения тока и натяжения проволоки. Если струнный гальванометр возбуждается переменным током, который не оказывает существенного влияния на силу натяжения проволоки, то движение центральной части проволоки воспроизводит изменение тока во времени.
Гальванометр Эйнтховена — это струнный гальванометр, который обладает чрезвычайно высокой чувствительностью за счет применения сильного магнитного поля и очень тонкой позолоченной кварцевой струны.
Струнный гальванометр, разработанный физиологом Виллемом Эйнтховеном, служил для измерения минимальных электрических токов сердца, нервов и мозга. Он состоит из кварцевой струны с креплением для струны, электромагнита и микроскопа для наблюдения за струной. Электрический ток отклоняет струну в зависимости от силы тока.
Если на нитях двух струнных гальванометров подвешено зеркало, а ток в нитях течет в противоположных направлениях, то зеркало будет поворачиваться на угол, который можно прокалибровать в значениях тока.
В случае, когда на такой прибор, называемый бифилярным гальванометром, подается переменный ток, не оказывающий значительного влияния на натяжение нити, поворот зеркала воспроизводит изменения электрического тока во времени.
Гальванометр Д’Арсонваля представляет собой проволочную катушку, подвешенную в магнитном поле таким образом, чтобы она могла вращаться вокруг оси, направление которой перпендикулярно плоскости, определяемой осью витков катушки и век тором магнитного поля.
Пружинное устройство стремится повернуть ось витков катушки в такое положение, чтобы она была перпендикулярна вектору магнитного поля, тогда как текущий в катушке электрический ток стремится совместить эту ось с направлением магнитного поля.
Если на катушке установлено зеркало, то угол его поворота соответствует изменениям электрического тока, текущего в катушке. Когда поддерживается постоянное значение тока, поворот зеркала будет зависеть от напряженности магнитного поля.
В конструкции гальванометра Гаусса используется принцип, обратный по отношению к гальванометру Д’Арсонваля,— в магнитном поле, создаваемом током проволочной катушки, подвешен постоянный магнит. Он имеет возможность поворачиваться вокруг оси, направленной перпендикулярно плоскости, которая определяется осью витков катушки и вектором магнитного поля постоянного магнита.
Пружинное устройство стремится повернуть постоянный магнит в такое положение, чтобы вектор магнитного поля был перпендикулярен оси витков катушки, тогда как текущий в катушке электрический ток стремится совместить этот вектор с направлением оси витков катушки. Если с постоянным магнитом связано зеркало, то угол его поворота воспроизводит изменения электрического тока, текущего в катушке.
Из всего сказанного следует, что гальванометры представлены множеством приборов, отличающихся друг от друга по области применения, конструкциям и характеристикам. Однако они имеют единую, общую для всех типов теорию движения подвижной части.
На основе этой теории разрешается ряд важнейших вопросов проектирования и применения гальванометров, например: выявление наилучших (оптимальных) характеристик для каждого конкретного типа прибора, правильное сочетание параметров гальванометра и измерительной цепи, определение погрешностей измерения при динамических режимах.
Гальванометры высокой чувствительности с внешним световым отсчетом требуют установки на капитальной стене из-за большой восприимчивости к толчкам и вибрациям. При этом нередко применяются специальные амортизирующие устройства.
Данное ограничение практически отсутствует у гальванометров с внутренним световым отсчетом и тем более у гальванометров стрелочных, вследствие чего они могут располагаться непосредственно на столах и стендах.
Эта качественная особенность дает основание условно подразделять гальванометры на стационарные с большой восприимчивостью и переносные — с малой восприимчивостью к вибрациям.
Вибрационный гальванометр широко применяется в измерительной технике как нулевой индикатор переменного тока. По принципу действия он представляет собой магнитоэлектрический механизм с подвижным магнитом. Его основными узлами являются магнитная система, подвижная часть и осветительное приспособление и шкала.
Вибрационный гальванометр, имея высокую чувствительность и сравнительно малую вибровосприимчйвость, служит хорошим нулевым индикатором в измерительных устройствах переменного тока низкой частоты. Однако им, к сожалению, нельзя пользоваться как измерителем тока вследствие резкой зависимости чувствительности от частоты.
Пример использования гальванометра:
Применение моста Уитстона для измерения неэлектрических величин
Яков Кузнецов
