Гальванометр как подключается в цепь

Что такое гальванометр

Гальванометр — это прибор для измерения величины электрического тока, яркий представитель приспособлений, которые показывают достоверные сведения. Устройство применяют для изучения силы тока, движущегося по электрической цепи и других его показателей. Ввиду богатства выбора моделей, их эксплуатационных характеристик, аппараты благополучно используются как в специализированных учреждениях, так и в домашних условиях.

История возникновения

Первым в далеком 1820 г. колебания магнитной стрелки под влиянием электрических зарядов отметил датчанин Ганс-Христиан Эрстед. При изучении этого свойства стало понятно, что явление может служить методом замера тока. Если вести речь об изобретателе гальванометра, нужно упомянуть, что осенью того же 1820 г. похожее приспособление впервые описал в своих работах немецкий физик И. Швейгер. Название, дошедшее до наших дней, возникло в 1836 г. Первоисточником стала фамилия итальянца Гальвани, поэтому бытует мнение, что этот ученый его и изобрел.

Принцип действия гальванометра, сконструированного в начале XIX века, состоял в элементарном замысле: магнитную полоску крепили на нить и размещали посреди неподвижной бобины из проволоки. В момент, когда в катушке возникал ток, указатель смещался с первоначальной позиции.

Устройство и принцип работы

Что представляет собой гальванометр сегодня. Главные механизмы устройства, применяемого в настоящий момент:

• постоянное магнитное поле (магнит);
• вращающаяся бобина с обмоткой;
• стрелка;
• натяжная пружина.

Работает устройство таким образом: когда сквозь катушку пропускается электричество, внутри нее мгновенно возникает магнитный поток. Одновременно происходит контакт между полями стационарного магнита и образовавшегося потока. Металлическая обмотка бобины, а за ней и стрелка отодвигается от нулевой отметки, демонстрируя существование электротока. Когда подача электричества прекращается, магнитное поле исчезает. При помощи пружины указатель возвращается в исходную позицию. Ниже изображена схема гальванометра.

Описываемое приспособление очень восприимчиво. Измеряемая величина может равняться 100 мкА. Чтобы замерить ток большей силы, нужны дополнительные шунты.

На схемах гальванометр принято обозначать стрелкой, размещенной в середине круга и смотрящей вверх.

Классификация гальванометров

Производители выпускают разные гальванометры. Несмотря на то, что все устройства действуют по одному принципу, разработан богатый ассортимент подвидов этого прибора. Различаются они между собой габаритами, конструктивными особенностями, шкалой делений, функциональностью, принципом работы.

По конструктивным решениям гальванометры делят на:

• Портативные, внутрь которых вмонтирована шкала. В них применяют и привычные стрелки, и световую индикацию.
• Зеркальные с независимой шкалой делений. Такие приспособления необходимо при подключении зафиксировать и выровнять строго по уровню.

У портативных элементы механизма размещены на растяжках, в зеркальных крепятся на гибком подвесе.

По области применения:

• бытового назначения;
• научно-исследовательские;
• профессиональные (промышленные).

По принципу работы гальванометра:

• магнитоэлектрические;
• электромагнитные;
• тангенциальные;
• электродинамические;
• тепловые;
• зеркальные;
• вибрационные.

Магнитоэлектрический гальванометр

Состоит из рамки-проводника, обмотанной проводом с тонким сечением. Рама зафиксирована на стержне в поле стационарного магнита. Указатель, прикрепленный к раме гальванометра, точно измеряет величину электротока в единицах, которыми проградуирована шкала. От других аналогичных приборов магнитоэлектрический отличается высокой чувствительностью.

Электромагнитный

Элементами такого приспособления стали неподвижная катушка под напряжением и лабильный магнит. Последний притягивается к бобине или вращается вокруг нее. Такой прибор обладает непостоянством шкалы. С градуировкой возникают трудности.

Тангенциальный

Гальванометр работает при помощи компаса. В конструкцию входит бобина из медной проволоки, которая намотана на вертикальную намагниченную поворотную рамку.

Электродинамический

В данном случае в роли перемещающегося и стационарного механизмов применены катушки с электрическим током.

Тепловой

Состоит из электропроводника, способного увеличиваться в длину при нагревании, и системы рычагов, трансформирующих удлинение в колебательные движения указателя.

Зеркальный

Прибор обладает минимальной погрешностью измерений. Отраженный в зеркале световой поток заменил в этом приспособлении стрелку шкалы. Чаще всего с помощью скоростных зеркальных гальванометров делают лазерные представления. Это устройство как нельзя лучше подходит для создания эффектной картинки из подвижных цветных лучей.

Вибрационный

Этот прибор — подвид зеркальных. Стало традиционным измерение виброгальванометром явления нуль-индикатора. Отклик к колебательным движениям в этом устройстве наделил его сверхчувствительностью к частотным скачкам тока. В связи с этим инструмент применяют для наладки оборудования, требующего высокой точности настроек.

Применение гальванометра в физике и повседневной жизни

Профессионалы всех отраслей промышленности, специалисты других сфер деятельности применяют гальванометры для измерения данных, которые доказывают соответствие определенных величин заданному диапазону. Таким образом производится результативное наблюдение за актуальным состоянием электроцепей, заблаговременно устраняются недочеты или поломки.

Ученые активно применяют высокоточное устройство в лабораторных и научно-исследовательских целях. Физики измеряют гальванометром силу тока. Для этого приспособление подключают таким образом, чтобы через него прошел весь электрический ток в цепи. Чтобы достичь такого результата, цепь размыкают на каком-нибудь участке, концы присоединяют к контактам прибора. Так оборудование оказывается последовательно включенным в цепь и готовым к использованию.

В бытовых условиях гальванометр применяют как аналоговый датчик для определения силы тока.

Все вышеперечисленные виды приборов просты в изготовлении и применении.

Высокотехнологичность, присущая настоящему времени, диктует свои условия. На данном этапе активно применяются инновационные разработки и почти везде внедрены электронные аналоги. Безусловным преимуществом называют их работоспособность, а также точность обозначений и измерений.

Интересно, что гальванометр является одновременно и самодостаточным оборудованием, и используется в качестве основы других приборов. Важна и функция нуль-индикатора, которой наделен главный герой статьи. Разработан вариант применения гальванометров в качестве амперметра, вольтметра, устройства для фиксации сигналов осциллографа. Этот факт значительно расширяет диапазон возможностей, поэтому шкала может обозначаться парой-тройкой электрических показателей. В список измеряемых гальванометром величин входят и единицы напряжения.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

На рис. 104 показана схема подключения гальванометра к термопаре, предназначенной для измерения температур. Спай ( или место сварки) двух разнородных проволок 1 и 2 помещают туда, где нужно измерить температуру. Противоположные концы проволок соединяют с проводами, ведущими к гальванометру, помещая контакты в термостат.  [4]

НБ — зажимы для подключения йаружной батареи; НГ — зажимы для подключения наружного гальванометра ; nt — Я4 — декады плеча сравнения; / 75 — переключатель плеч бтношения; 3 — переключатель схемы; в — гальванометр.  [6]

Верхняя лицевая панель эбонитовая, закрывается сверху металлической крышкой, на которой расположены все органы регулирования и клеммы для подключения гальванометра , батареи, измеряемого сопротивления и внешних образцовых сопротивлений.  [7]

Для подключения источника постоянного тока на панели предусмотрены два зажима с гравировкой и — и два зажима НГ для подключения наружного гальванометра . Наружный гальванометр подключается либо в случае выхода из строя гальванометра, вмонтированного в прибор, либо при необходимости более точного отсчета величины сопротивления; при этом должен включаться гальванометр, обладающий большей чувствительностью, чем гальванометр моста. Гальванометр моста обладает чувствительностью порядка 5 мка на одно деление. Кнопки Б и Г служат для замыкания цепей источника тока и гальванометра при измерении. Справа под гальванометром находится штепсельное устройство, с помощью которого включается вмонтированный в прибор гальванометр либо непосредственно, либо через дополнительное сопротивление или наружный гальванометр.  [8]

На лицевой дюралюминиевой панели прибора смонтированы: гальванометр, рычажный переключатель плеча сравнения, реохорд, кнопка для замыкания цепи источника питания, кнопка для замыкания гальванометра, два зажима для подключения внешнего гальванометра , токовые и потенциальные зажимы для подключения измеряемого сопротивления.  [9]

В электрическую схему блока светолучевой записи ( рис. 14) входят двигатель М3 лентопротяжного механизма, лампа Ли осветителя гальванометров, лампа Лп осветителя часов и два реле PI и PZ, служащие для подключения гальванометров к выходу схемы воспроизведения. Когда блок светолучевой записи не работает, лампы Лп и Л & не горят, двигатель М3 остановлен. Состояние лампы Л % постоянно контролируется реле 5Я, которое включено последовательно с лампой. Ток около 40 ма, проходящий через реле и лампу, не вызывает ее свечения. В случае обрыва нити лампы реле отпадает и замыкает цепь сигнала перегорания лампы осветителя. Одновременно зажигается неоновая лампа Jf.  [10]

При работе с таким прибором, чувствительностью порядка 10 — 9 А, требуется соблюдение ряда предосторожностей. Перед подключением гальванометра к зажимам моста с индексом ГН ( гальванометр наружный) необходимо переключить тумблер панели моста на индекс ГВ ( гальванометр внутренний), при этом рукоятка регулировки чувствительности ГН должна стоять на индексе арретир. Не переключая тумблер на индекс ГН, необходимо предварительно проверить положение светового указателя на нулевом делении шкалы гальванометра. Если световой указатель находится не на нуле шкалы, его выводят на нуль, вращая регулятор ( маховик) на правой боковой стенке гальванометра.  [11]

Для устранения погрешностей вызванных ТЭДС, целесообразно проводить измерения сопротивлений дважды, при противоположных направлениях тока. Поскольку направления ТЭДС при этом меняются, вносимые ими погрешности будут иметь противоположные знаки, и при усреднении двух результатов взаимно уничтожатся или сильно ослабятся. Заметим, что для удобства работы полезно одновременно с переключением полюсов батареи изменять подключение гальванометра — тогда не придется расшифровывать знаки отклонения стрелки гальванометра.  [12]

При разных положениях переключателя П в цепь рамки подключаются различные добавочные сопротивления, обеспечивающие получение импульсов тока различной силы. При прохождении тока через катушку L, показанную в верхней правой части схемы, толкатель 5 воздействует на стрелку прибора и возвращает ее в исходное положение. Напряжение, подаваемое на рамку, поддерживают постоянным при помощи потенциометра Rr При этом контроль напряжения осуществляется гальванометром G. Подключение гальванометра G к мосту RI — R3 и J постоянного тока при помощи переключателя KI позволяет измерить температуру исследуемого материала.  [13]

Непосредственная проверка группы соединения обмоток трехфазного трансформатора производится с помощью гальванометра ( методом поляромера), ваттметра и фазометра или специально векторометра. С помощью гальванометра определение группы производится следующим образом. К выводам ab, be, ca поочередно подключается гальванометр с нулем посередине или магнитоэлектрический милливольтметр с полярностью, указанной на рисунке. При каждом подключении гальванометра определяется знак отклонения его в момент замыкания рубильника. Опыт повторяется при подаче питания на выводы В С и АС. В зависимости от сочетания всех полученных знаков отклонения, записываемых в таблицы и сравнения полученных результатов с таблицей ( рис. 5 — 9) определяется группа.  [14]

В осциллограф вставляют заряженную фотолентой кассету и подготавливают его к съемке. Производят кратковременное опробование лентопротяжного механизма и убеждаются, что фотолента беспрепятственно поступает в приемную кассету. На вход магазина шунтов и добавочных сопротивлений задают от регулируемых источников переменного тока токи и напряжения, равные выбранным при настройке размаха изображения. Открывают полностью шторки для диафрагмирования светового потока осветителя гальванометров. Включают выключатели питания и осветителя гальванометров. В осциллографах НИ и Н13 проверяют по матовому экрану расстановку световых пятен гальванометров. Включают выключатели в цепи подключения гальванометров к схеме записи.  [15]

Гальванометр — что измеряет и как работает

В электрических схемах зачастую требуется применение различных приборов, способных измерить параметры сети, такие как I, U или сопротивление. Для подобного вида замеров применяются либо универсальные устройства типа тестеров, либо вольтметры, амперметры, омметры либо специальные гальванометры.

Что такое гальванометр

Гальванометр – это прибор для измерения параметров электроцепи, точнее – минимальных значений I, R и количества электричества (при известной постоянной прибора). Чтобы выяснить, какое действие I используется в гальванометре, нужно остановиться на его комплектации.

Когда нужно либо обнаружить, либо замерить величину I крайне небольших значений, применяют гальванометр, обладающий высокой степенью чувствительности. Помимо прямого измерения, он реагирует присутствие или отсутствие I или U на определенном участке цепи.

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.

Типовые конструкции

Все гальванометры по своим конструктивным особенностям могут подразделяться на два основных типа:

• Переносные, используемые для цепей DC. Включают в себя рамку (подвижную), крепится на растяжках, шкалу, указатель (механический или световой).
• Стационарные (зеркальные). Эти приборы не подлежат переноске и требуют в обязательном порядке выравнивания по уровню.

Особенности устройства стационарного гальванометра

Если в переносных подвижная рамка фиксируется при помощи растяжек, то в приборах стационарного типа она закреплена на подвесе.

1 – рамка с обмоткой.
2 – подвес.
3 – зеркало.
4 – безмоментная нить.

При подключении стационарного устройства к отрезку электрической цепи с протекающим током, рамка приходит в движение и начинает поворачиваться. Для того чтобы зафиксировать и измерить данный угол поворота, используется зеркало, на которое посредством специальной лампы подается световой луч.

Основные характеристики гальванометров

Несмотря на простоту устройства подобных приборов, они также имеют основные характеристики и опции, определяющие их действие и чувствительность.

• Одним из основных параметром устройства является постоянная. Ее значение определяется имеющейся длиной между шкалой и зеркалом и считается по стандартному отрезку протяженностью 1 метр. Для переносных данная величина считается ценой деления нанесенной шкалы. Составляет для современных приборов: стационарные — 10-11 А-м/мм, переносные приборы — 10-8 — 10-9 А/дел. Для всех видов приборов допускается погрешность в ±10%.
• Постоянство «нуля» указателя (невозвращение стрелки к точке «ноль» при перемещении от крайнего положения, обозначенного на шкале). По данному параметру они различаются по разрядам постоянства. Данный показатель, имеющий числовое значение, в обязательном порядке указывается на шкале и наносится в виде ромбовидного штампа.
• Наличие магнитного шунта. Его положение возможно изменять посредством поворота внешней ручки, что приводит к изменению: магнитной индукции в зазоре и постоянной гальванометра (по I в три раза). Таким образом, во всей технической документации, а также в паспорте прибора всегда указываются значения постоянной при 2 положениях шунта: в выведенном состоянии, в введенном состоянии.
• Наличие корректора. Посредством его можно осуществлять перемещение стрелки (указателя) из одного крайнего состояния в другое.
• Наличие арретира. Все статические устройства с подвесом оснащаются им в обязательном порядке, так как он позволяет жестко зафиксировать подвижную часть устройства. Это помогает предотвратить его повреждение при перемещении.
• Наличие электростатического экранирования. Устанавливается в целях защиты прибора от I утечки.

Поскольку в них присутствует подвижная составляющая, ее движение и колебание пропорциональны успокоению, которое можно регулировать посредством подбора внешнего R. В паспорте изделия всегда указывается максимально допустимое внешнее R (критическое). На практике реальное R стараются подобрать как можно ближе к R критическому по значению. Это исключает возможность возникновения колебаний указателя вокруг положения равновесия.

Виды существующих гальванометров

Все имеющиеся приборы можно разделить на несколько основных видов в зависимости от их конструктивного исполнения.

Магнитоэлектрический

Как уже упоминалось выше, по конструктивному исполнению он представляет собой рамку прямоугольной формы с намоткой тонким проводом, помещенную в поле действия магнита (постоянного).

В роли удерживающего устройства используется пружина, которая достаточно жестко фиксирует своеобразную катушку (рамку) в нейтральном (нулевом) положении.

При подаче напряжения через провод начинает протекать I, в результате чего происходит отклонение рамки на фиксированный угол, определяющийся следующими параметрами:

• Значения I.
• Индукции магнитного поля.
• Коэффициента жесткости (пружины).

По отклонению указывающего элемента и определяют значение протекающего I. Данные механизмы достаточно популярны, так как отличаются большим коэффициентом чувствительности.

Электромагнитный

Считаясь наиболее простым по своей конструкции среди аналогичных, электромагнитный прибор включает:

• Катушку (неподвижную).
• Сердечник (подвижный).

При подаче I на провод катушки сердечник начинает поворачиваться или втягиваться в нее и, соответственно, сдвигает указатель на шкале.

Подобный вид активно используется для измерения малых величин I AC, однако его погрешность достаточно велика. Это связано с нелинейностью шкалы, что приводит к значительным трудностям при его градуировке.

Тангенциальный

Основным устройством, используемым в данном типе, является обычный компас.

Благодаря ему прибор сравнивает два вида поля (магнитных):

• Земли.
• наведенное протекающим I.

Сам гальванометр работает по принципу тангенциального закона магнетизма (угол наклона стрелки магнита (тангенс) пропорционален отношению магнитных полей, направленных под углом 90 друг к другу).

В нем также имеется катушка с медной обмоткой, выполненная в виде рамки. При подаче I рамка, которая располагается строго вертикально, начинает проворачиваться вокруг своей центральной оси.

В самом центре на градуированной шкале расположен компас, на стрелке которого закреплен алюминиевый указатель, при этом он должен совпадать с плоскостью обмотки. При подаче электрического I он наводит магнитное поле на оси соленоида, располагающееся строго перпендикулярно магнитному полю Земли. Под действием двух полей указатель компаса начинает двигаться и поворачиваться на угол, который и равен тангенсу соотношения поля Земли и наведенного I. В пропорции этого отклонения и градуируется шкала.

Электродинамический

В приборе имеются катушки, выполняющие одновременно роль как подвижных, так и статических элементов.

Принцип его действия базируется на воздействии стального магнита на проводник с I. Если тонкий натянутый провод расположить вертикально, а вблизи его середины разместить стальной магнит, то при подаче электрического тока на проводник будет наблюдаться его отклонение даже при незначительной величине I.

На основании подобного закона и были созданы так называемые струнные устройства, которые в настоящее время нашли широкое применение в лабораторной технике.

Зеркальный

Относится к наиболее чувствительным, точным и быстрым из всех представленных видов приборов.

Состоит из зеркала, на которое подается световой луч. Само измерение производится за счет угла поворота рамки с намотанной на нее обмоткой. С учетом того, что поворот рамки достаточно мал, посредством оптического эффекта, создаваемого световым лучом, можно получить отражение от зеркала падающего луча на специальную градуированную шкалу.

Если при подаче I рамка разворачивается на угол, сам луч уже образует угол 2, а световое пятно смещается на определенное количество делений (на шкале). То есть, прибор настраивается так, что угол поворота самой рамки оказывается прямо пропорциональным числу делений.

Вибрационный

Данное устройство отличается малыми габаритами и применяется, как правило, в качестве нуль-индикатора. Подобные типы бывают двух видов:

• Петлевые.
• Рамочные.

Все они оснащены петлей или рамкой, находящейся в сильном магнитном поле и настраиваются посредством натяжения удерживающей пружины. Отличительной особенностью данных устройств является очень высокая чувствительность, позволяющая измерять минимальные значения I.

Тепловой

Включает в себя два основных элемента:

• Проводника, на который подается I.
• Рычажной системы.

При подаче электрического тока за счет своего материала проводник начинает удлиняться, а рычажная система преобразует изменение в движение указателя, с которым она связана механически.

Апериодический

Данный вид прибора отличает то, что указатель на шкале все время возвращается в свое первоначальное, исходное положения после каждого проведения измерений без каких-либо колебаний.

Баллистический

Чтобы измерить количество электричества (потокосцепления) в импульсах I, применяют баллистические гальванометры.

Отличительной особенностью в них является то, что подвижная часть устройства имеют больший момент инерции. Это означает, что время импульса I должно быть в разы меньше, чем Т колебаний рамки.

Применение гальванометров

Гальванометр применяется не только как самостоятельный прибор, показывающий малые значения, I, U или выполняющего роль нуль-индикатора, но и также как основной блок многих других измерительных приборов. Ниже будет подробно рассказано о каждом из таких вариантов использования.

1. Как амперметр или вольтметр, а именно:

• подключение сопротивления (шунтирующего) в параллель с устройством позволяет измерять ток (амперметр);
• включение R (добавочного) последовательно к устройству дает возможность измерять напряжение (вольтметр).

Таким образом, даже при отсутствии подключенного сопротивления прибор может выполнять как функцию амперметра, так и вольтметра в зависимости от подключения его к интересующему участку цепи.

2. Как термометр или экспонометр:

• при подключении фотодиода используется как экспонометр;
• при соединении с датчиком температуры (термоэлементом) будет выполнять функции своеобразного термометра.

3. Как измеритель заряда.

Для данной цели применяют баллистический гальванометр. Он позволяет измерить одиночный импульс заряда, так как после его протекания через прибор происходит резкий отброс внутренней рамки.

4. Как индикатор нуля.

При имеющемся положении стрелки на «нуле» на градуированной шкале, устройство применяется в качестве нуль-индикатора и показывает отсутствие электрического параметра при подключении к участку цепи.

5. Для записи различных сигналов в осциллографе.

За счет своего конструктивного исполнения гальванометр в осциллографе подключается напрямую к пишущему устройству (писчику). При подаче какого-либо импульса прибор реагирует на него и приводит в движение писчик, которые отображает определенные колебания на бумаге. При этом, в данных ситуациях используются различные типы приборов:

• С большим усилием, способные передвигать писчик по бумаге.
• С малым. Это подойдет для тех вариантов использования, когда требуется лишь периодический и кратковременный контакт пишущего устройства с бумагой.

6. Для осуществления оптической развертки в системах лазерной оптики (зеркальные).

В настоящее время аналоговые приборы постепенно уступают место современным устройствам, работающим на основе цифровых технологий. Единственными типами гальванометров, востребованными и сегодня, являются зеркальные устройства, которые применяются в качестве одной из составляющей установки в лазерной технологии, так как способны производить отклонение луча лазера.

Гальванометр

Гальвано́метр (от фамилии учёного Луиджи Гальвани и др.-греч. μετρέω «измеряю») — высокочувствительный прибор для измерения малых постоянных и переменных электрических токов. В отличие от обычных микроамперметров шкала гальванометра может быть проградуирована не только в единицах силы тока, но и в единицах напряжения, других физических величин, или иметь условную, безразмерную градуировку, например, при использовании в качестве нуль-индикаторов.

Содержание

История

Отклонение магнитной стрелки под действием тока, протекающего в проводнике было впервые описано Гансом Эрстедом в 1820 году. Это явление рассматривалось, как один из способов измерения электрического тока. Самое раннее упоминание о гальванометре сделал Иоганн Швейгер в университете Галле 16 сентября 1820 года. Термин гальванометр впервые появился в 1836 году по фамилии ученого Луиджи Гальвани.

Первоначально в инструментах использовалась сила магнитного поля Земли и они назывались тангенциальными гальванометрами. Перед работой их необходимо было ориентировать в пространстве. Позже был разработан астатический гальванометр, в котором использовались противоположно направленные магниты для того, чтобы исключить влияние магнитного поля Земли. Наиболее чувствительный гальванометр — гальванометр Томсона или зеркальный гальванометр был изобретен Уильямом Томсоном(Лордом Кельвином) и запатентован им в 1858 году. Вместо магнитной стрелки он использовал легкое маленькое зеркало с магнитной пылью, подвешенное на нити. Под действием даже небольших токов зеркало отклоняло луч света, играющего роль стрелки.

Ранние гальванометры с подвижным магнитом имели существенный недостаток: любые магниты или железные предметы воздействовали на гальванометр и отклонение стрелки не было прямо пропорционально протекающему току. В 1882 году Жак-Арсен д’Арсонваль и Марсель Депре разработали гальванометр с неподвижным магнитом и движущейся проволочной катушкой, подвешенной на тонких проводах. В железной трубке внутри катушки сосредотачивалось магнитное поле. К катушке прикреплялось легкое зеркало, которое отклоняло луч света под действием тока в катушке. Получившийся гальванометр был очень чувствителен и позволял обнаружить ток силой 10 микроампер.

Эдвард Уэстон усовершенствовал эту конструкцию. Он заменил тонкие провода на спиральные пружины, как в балансом колесе наручных часов. Он разработал метод стабилизации магнитного поля постоянного магнита, так что точность инструмента не уменьшалась с течением времени. Уэстон заменил зеркало на стрелку и использовал плоское зеркало под стрелкой для исключения параллакса при наблюдениях.

В 1888 году Уэстон запатентовал свое устройство, который стал стандартным прибором в электрооборудовании. Такая конструкция и сегодня используется в гальванометрах с подвижной катушкой Долгое время стрелочные гальванометры оставались наиболее массовой разновидностью электроизмерительных приборов.

Принцип действия

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

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

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

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

Разновидности и устройство

Магнитоэлектрический [1]

Представляет собой проводящую рамку (обычно намотана тонким проводом), закреплённую на оси в магнитном поле постоянного магнита. При отсутствии тока в рамке она удерживается пружиной в некотором нулевом положении. Если же по рамке протекает ток, то рамка отклоняется на угол, пропорциональный силе тока, зависящий от жёсткости пружины и индукции магнитного поля. Стрелка, закреплённая на рамке, показывает значение тока в тех единицах, в которых отградуирована шкала гальванометра.

От прочих конструкций магнитоэлектрическая система отличается наибольшей линейностью градуировки шкалы прибора (в единицах силы тока или напряжения) и наибольшей чувствительностью (минимальным значением тока полного отклонения стрелки).

Электромагнитный

Исторически самая первая конструкция гальванометра. Содержит неподвижную катушку с током и подвижный магнит (в приборах постоянного тока) или сердечник из магнитомягкого материала (для приборов, измеряющих и постоянный, и переменный ток), втягиваемый в катушку или поворачивающийся относительно неё.

Данная конструкция отличается большей простотой, отсутствием необходимости делать катушку возможно меньшего размера и веса (что требуется для магнитоэлектрической системы), отсутствием проблемы подведения тока к подвижной катушке. Однако такие приборы отличаются существенной нелинейностью шкалы (из-за неравномерностей магнитного поля сердечника и краевых эффектов катушки) и соответствующей сложностью градуировки. Тем не менее, применение данной конструкции приборов в качестве амперметров переменного тока относительно большой величины оправдано большей простотой конструкции и отсутствием дополнительных выпрямительных элементов и шунтов. Вольтметры же переменного и постоянного тока электромагнитной системы наиболее удобны для контроля узкого диапазона значений напряжения, так как начальный участок шкалы прибора сильно сжат, а контролируемый участок может быть растянут.

Тангенциальный

Тангенциальный гальванометр — один из первых гальванометров, использовавшихся для измерения электрического тока. Он работает с помощью компаса, который используется для сравнения магнитного поля создаваемого неизвестным током с магнитным полем Земли. Свое название он получил от тангенциального закона магнетизма, в котором говорится, что тангенс угла наклона магнитной стрелки пропорционален соотношению сил двух перпендикулярных магнитных полей. Впервые это было описано Клодом Пулье в 1837 году.

Тангенциальный гальванометр состоит из катушки, сделанной из изолированной медной проволоки, намотанной на немагнитную рамку, расположенную вертикально. Рамка может поворачиваться вокруг вертикальной оси, проходящей через ее центр. Компас расположен горизонтально, в центре круговой шкалы. Круговая шкала разделена на четыре квадранта, каждый из которых проградуирован от 0° до 90°. К магнитной стрелке компаса прикреплен длинный алюминиевый указатель. Чтобы избежать ошибок из-за параллакса под стрелкой устанавливают плоское зеркало.

В процессе работы гальванометр устанавливают так чтобы стрелка компаса совпала с плоскостью катушки. Затем к катушке подводят измеряемый ток, который создает магнитное поле на оси катушки, перпендикулярное магнитному полю Земли. Стрелка реагирует на векторную сумму двух полей и отклоняется на угол равный тангенсу отношения этих полей.

Теория

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

\frac\,» width=»» height=»» />

Из тангенциального закона, , т.е.

<\mu_0 n>\right)\tan\theta\,» width=»» height=»» />

или , где K — понижающий коэффициент тангенциального гальванометра.

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

Измерение геомагнитного поля Земли

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

Электродинамический

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

Вибрационный

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

Тепловой

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

Апериодический

Апериодическим называют гальванометр, стрелка которого после каждого отклонения становится тотчас в положение равновесия, без предварительных колебаний, как это бывает в простом гальванометре [2] .

Прочие элементы и особенности конструкции

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

Зеркальный гальванометр

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

Применение

Измерительные приборы

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

• Для получения амперметра необходимо подключить шунтирующийрезистор параллельно гальванометру.
• Для получения вольтметра необходимо подключить гасящий резистор (добавочное сопротивление) последовательно с гальванометром.

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

Экспонометр, термометр

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

Баллистический гальванометр

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

Нуль-индикатор

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

Механическая запись электрических сигналов

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

Оптическая развёртка

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

Современное состояние

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

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

Зеркальные гальванометры также потеряли своё значение в системах развёртки, сначала с появлением электронно-лучевых устройств, а там, где необходимо управление внешним световым потоком — с появлением эффективных пьезоэлектрических устройств и сред с управляемыми свойствами (например, жидких кристаллов). Однако на базе зеркальных гальванометров делаются устройства для отклонения луча лазера в лазерной технологии и установках для лазерных шоу (англ.).

Похожие публикации:

1. Место магнита где наблюдается наиболее сильное магнитное поле
2. Goose сообщения что это
3. Зачем третий провод на аккумуляторе планшета
4. Где купить телефонный кабель