Гальванометр

Теоретическое введение

SNН_ЗН_З

Магнитное поле Земли подвержено суточным, годовым, вековым и т.п. колебаниям. Соответственно меняются и элементы земного магнетизма.Отметим, что магнитная стрелка или рамка с током устанавливается в определенном направлении под действием вектора ИНДУКЦИИ магнитного поля, а не вектора напряженности. Но в силу установившейся традиции обычно говорят о векторе напряженности.
Если магнитная стрелка может вращаться только около вертикальной оси, то под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли она устанавливается в плоскости магнитного меридиана. Это свойство магнитной стрелки используется в приборе, который называется тангенс-гальванометр, для определения величин горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Н_З .
Тангенс-гальванометр представляет собой плоскую вертикальную катушку радиуса R с числом витков n . В центре катушки в горизонтальной плоскости расположен компас. Магнитная стрелка компаса при отсутствии тока в катушке будет располагаться по магнитному меридиану Земли NS.
Поворачивая катушку около вертикальной оси можно добиться совмещения плоскости катушки с плоскостью магнитного меридиана. Если после таковой установки катушки по ней пропустить ток, то магнитная стрелка повернется на некоторый угол  . Объясняется это тем, что на магнитную стрелку будет действовать два поля. Внешнее поле – это горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля Земли – Н_З и второе поле, созданное током Н_т (рис. 2).
Под действием этих двух полей магнитная стрелка займет такое положение, при котором равнодействующая этих полей будет совпадать с линией, соединяющей полюса стрелки.

NSАВN₁S₁Н_зН_тнапряженности магнитного поля

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

Порядок проведения работы

Соберите установку по схеме, изображенной на рис. 3.

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

установить реостат на нужное сопротивление (стрелка миллиамперметра показывает 20 мА) и замыкают ключ К. Когда стрелка тангенс-гальванометра успокоится, производят измерение острого угла по обоим концам стрелки, как показано на рис. 4.
записывают показания миллиамперметра и тангенс-гальванометра.
коммутатором меняют направление тока в тангенс-гальванометре.
измеряют как и в первом случае углы отклонения стрелки, ток должен быть таким же как и ранее.
результаты заносят в таблицу.

Проводят второй опыт, соответствующий току 40 мА. И далее со всеми токами. Все результаты заносят в таблицу.
Для каждого опыта вычисляют H_з (где i – номер опыта) по формуле ( 4 ), где витков катушки n=65 , а радиус витков R=14 см.

Таблица 1

№п/п	направле-ние тока	направле-ние тока	Ix10-3А	Н_зА/м	Н_з

1
2
3
4
5

Контрольные вопросы

Сформулировать закон Био-Савара-Лапласа.

В чем заключается принцип измерения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли с помощью тангенс-гальванометра?

Почему магнитная стрелка тангенс-гальванометра должна быть намного меньше радиуса витков?

Выведите напряженность магнитного поля в центре кругового тока.

Что это такое?

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

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

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

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

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

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

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

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

История изобретения гальванометра

История создания гальванометра тесно связана с открытием понятия “электромагнитная индукция” и работой целой плеяды великих учёных мира, которые создавали новые варианты прибора и усовершенствовали его. Но о трёх эпохальных личностях в мире физики и гальванометров необходимо сказать отдельно:

Х.К. Эрстед;
Л. Гальвани;
М. Фарадей.

Датский учёный Ханс Кристиан Эрстед 15 февраля 1820 года, проводя эксперимент на лекции по электричеству, пропускал электрический ток через проводник, который лежал сверху корабельного компаса. В результате в момент включения цепи стрелка компаса отклонялась от своего начального положения. Проведя несколько аналогичных опытов с другими металлами и разным значением силы тока, Эрстед фактически доказал существование магнитного поля и электромагнитной индукции. А сам эксперимент (проводник, магнитная стрелка и источник питания) был заложен в основу первого гальванометра.

Луиджи Гальвани исследовал электричество, проходящее в живых и физически мёртвых организмах. Впоследствии на основе изучения “возвратного” удара были заложены условия для возникновения “гальванизма” — явления генерирования мышечных сокращений во время пропускания электрического тока. Это дало возможность создать и исследовать первые электрические индукции.

Майкл Фарадей в далёком 1831 году в конце августа (29), будучи в своей лаборатории, исследовал протекание электрического тока в проводнике и экспериментально доказал существование электромагнитной индукции, используя гальванометр для обнаружения этого явления. Которое перевернуло всю физику и фундаментальные законы природы, а именно наличие электромагнитного поля и индукции доказало существование нового вида материи.

Принцип действия

Чаще всего гальванометр используют в качестве аналогового измерительного прибора. Используется для измерения силы постоянного тока, протекающего в цепи.

Гальванометры конструкции /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.

Принцип работы гальванометра

Принцип работы прибора основан на преобразовании замеряемого I в механическое движение стрелки, которая и показывает присутствие или отсутствие данного параметра.

На передней панели может отсутствовать так называемая шкала делений. В такой ситуации он используется для визуального отображения наличия или отсутствия тока. Именно потому данные устройства часто используют в качестве нуль-индикатора.

Самый первые приборы были созданы почти два века назад Иоанном Швайггером.

Они представляли собой стрелку, выполненную из магнитного материала (часть от компаса), которая висела на тонкой нити и помещалась в прямоугольную рамку, позднее замененную на катушку с намотанным электрическим проводом. При подаче напряжения U на провод рамки происходило отклонение стрелки. При снятии U она возвращалась в свое исходное положение, совместимое с меридианом места установки всей конструкции.

Подобное устройство изначально получило название «мультипликатор», а впоследствии было признано первым гальванометром (или гальваноскопом).

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

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

Все типы имеют практически одинаковый принцип работы, а именно:

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

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

Характеристики и особенности конструкции

Устройства, используемые в цепях постоянного тока, могут быть переносными. Они имеют подвижную рамку, закрепленную на растяжках, встроенную шкалу и указатель стрелочного или светового типа.

Стационарный гальванометр устанавливается по уровню. На рамке закрепляется небольшое зеркальце. Эти приборы оборудуются выносной шкалой, обеспечивающей повышенную чувствительность и световым указателем. Угловое перемещение рамки контролируется положением отраженного от зеркала светового луча, отклоняющегося на шкале. Подобные рамочные устройства используются как нуль-индикаторы. В их помощью в лабораторных условиях проводятся измерения малых токов и напряжений.

Практически каждый гальванометр оборудован магнитными шунтами. Их положение регулируется с помощью ручки, выведенной наружу. За счет этого в рабочем зазоре изменяется величина магнитной индукции. Подобная регулировка позволяет изменять значения измеряемых величин как минимум в три раза в соответствии с требованиями стандартов. В маркировке и технической документации прибора эти величины указываются в обоих крайних положениях шунта – при полном вводе и при полном выводе. В схеме гальванометра предусмотрен корректор, с помощью которого указатель перемещается от нулевой отметки в ту или иную сторону.

Многие устройства оборудованы специальными защитными приспособлениями. В их число входит арретир, фиксирующий подвижную часть на подвесе во время переноски прибора. Высокочувствительные гальванометры требуют защиты от помех. Для стационарных устройств оборудуются специальные фундаменты, предотвращающие механические воздействия. Против утечек тока используется электростатическое экранирование.

Следует отдельно рассмотреть баллистический гальванометр. Данный прибор позволяет измерить количество электричества, передаваемого короткими токовыми импульсами в течение долей секунды. Для того чтобы получить точные данные, необходимо увеличить момент инерции подвижной части за счет установки специального диска.

Как правильно использовать?

Гальванометры можно с уверенностью назвать целым классом измерительного оборудования, характеризующегося максимальным уровнем точности и используемого для исследований величины электрического тока, проходящего через проводники, а также других его параметров. За счёт широкого ассортимента моделей и их функциональных возможностей эти измерительные приборы успешно эксплуатируются на производстве, в быту и в лабораторных условиях. При этом простейшее устройство можно изготовить своими руками.

Гальванометр работает как в качестве самостоятельного оборудования, отображающего параметры малых токов или выполняющего функции нуль-индикаторов, так и в виде основного блока других приборов. Так, существует вариант использования описываемой техники в качестве амперметра и вольтметра. Для этого потребуется:

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

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

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

На данный момент аналоговые конструкции активно сдают свои позиции, уступая место современным, цифровым устройствам. В соответствии с актуальными статистическими данными, наиболее распространёнными сейчас являются зеркальные гальванометры. Они до сих пор достаточно широко эксплуатируются в качестве элементов различных лазерных установок. Это обусловлено их способностью отклонять лучи лазера.

Независимо от типа измерительного оборудования, его конструкции и функциональных возможностей, к его эксплуатации следует подходить грамотно. Параллельно требуется помнить о технике безопасности, поскольку речь идёт о работе с электрическим током. Не менее важными моментами будут правила хранения и обслуживания приборов, закреплённые в соответствующих инструкциях.

В следующем видео вы подробно узнаете о том, что такое вертикальный гальванометр и какие его принципе работы.

Виды

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

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

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

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

Помимо уже описанных, существуют также следующие разновидности гальванометров.

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

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

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

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

Применение гальванометров

Трудно переоценить вклад от использования этого устройства в научно-исследовательскую деятельность. Но гальванометр нашёл своё применение в разных сферах:

высокочувствительные измерительные приборы (амперметры, вольтметры);
кино- и фотоиндустрия (экспонометры, датчики освещённости);
в электронике и электроэнергетике (нуль-индикаторы, измерители напряжений и токов);
детекция и рекордирование сигналов в разных сигнало-пишущих устройствах (осциллографы, осциллоскопы) и т. д.

Заключение

Гальванометр — это целый класс высокоточного измерительного оборудования для исследования величины, проходящего через проводник, электрического тока и его физических характеристик.

Разновидность конструкций и принципов измерения позволяет использовать это устройство в самых распространённых бытовых и промышленных ситуациях, он является простым (можно сделать самостоятельно) и, в то же время незаменимым измерительным прибором для электроэнергетики, электротехники, электроники и остальных сфер деятельности человека связанных с электромагнитным полем.

Последние статьи

Самое популярное

Применение

Измерительные приборы

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

Для получения амперметра необходимо подключить шунтирующий резистор параллельно гальванометру.

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

Если к гальванометру не подключено никаких дополнительных резисторов, то его можно считать как амперметром, так и вольтметром (в зависимости от того, как гальванометр включен в цепь и как интерпретируются показания).

Экспонометр, термометр

В сочетании с датчиком света (фотодиодом) или температуры (термоэлементом), гальванометр может быть использован в качестве, соответственно, экспонометра в фотографии, измерителя разности температур и т. п.

Баллистический гальванометр

Для измерения заряда, протекающего через гальванометр в виде короткого одиночного импульса, используется баллистический гальванометр, в котором наблюдают не отклонение рамки, а её максимальный отброс после прохождения импульса.

Нуль-индикатор

Гальванометр используется также в качестве указателя (нуль-индикатора) отсутствия тока (напряжения) в цепях. Для этого он обычно исполняется с нулевым положением стрелки посередине шкалы.

Механическая запись электрических сигналов

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

Оптическая развёртка

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

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.

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.).

Список источников