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:

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:

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

По области применения:

По принципу работы гальванометра:

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.

Видео по теме

Источник

Что такое гальванометр и где его используют

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.

Установление более точного значения «постоянной», а также градуировка шкалы, если это нужно, производятся экспериментально для каждого отдельного гальванометра в конкретных условиях его применения

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, з на ч ени я 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.

Источник

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.

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 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:

Из тангенциального закона, , т.е.

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

Апериодический

Прочие элементы и особенности конструкции

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:

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.).

Источник