Гальванометр: что измеряет этот прибор?

Что это такое?

По сути, любой гальванометр — это прибор, предназначенный для измерения параметров электрических сетей. Рассматривая характеристики этих устройств, следует отметить, что речь идет о минимальных значениях количества электричества, силы тока и сопротивления. Например, для определения наличия и минимальных показателей I на конкретных участках цепи применяют гальванометры с повышенной чувствительностью.

Впервые функции отклонения магнитной стрелки под действием электрического тока в проводнике описал Ганс Эрстед еще в 1820 году. В то время подобное явление считалось способом измерения силы тока. Говоря об изобретателе гальванометра, следует отметить, что первым упомянул о таком приборе Иоганн Швайгер. Это произошло 16 сентября 1820 года и связано с университетом Галле. Сам термин впервые появился в 1836 году и произошел от имени ученого Луиджи Гальвани.

Первоначально работа устройства основывалась на силе магнитного поля Земли. Такие образцы измерительной техники получили название тангенциальных гальванометров. Перед использованием их нужно было сориентировать в помещении. Позже родилось первое астатическое устройство, создатели которого использовали противоположно направленные магниты. Такой подход позволил исключить фактор влияния упомянутого выше магнитного поля планеты.

Современные устройства на схемах маркируются в соответствии с действующим ГОСТом на схеме. Гальванометр обозначен стрелкой, направленной вверх и помещенной внутри круга.

Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, эти устройства обладают рядом важных функций.

• Одним из основных параметров является константа, значение которой определяет расстояние между зеркалом и шкалой и рассчитывается с учетом стандартного отрезка длиной 1 метр. В случае портативных устройств это значение равно цене одного деления шкалы. Для стационарных моделей она составляет 10–11 А/м/мм, а для мобильных — 10–8 или 10–9 А/дел. В обоих случаях допустима 10-процентная ошибка в любом направлении.
• Невозврат стрелки к нулевой отметке в процессе движения от крайней точки шкалы, то есть так называемая постоянная к нулю. Этот показатель в числовом выражении используется на шкале в виде ромбовидного символа.
• Наличие такого конструктивного элемента, как магнитный шунт. Положение меняется поворотом специальной ручки, что в свою очередь приводит к изменению постоянной гальванометра и магнитной индукции в зазоре. С учетом этого момента в технической документации, в том числе в паспорте измерительного прибора, указаны значения постоянной при двух положениях магнитного шунта, то есть во вставленном и выдвинутом состоянии.
• Наличие корректора, с помощью которого стрелка перемещается между двумя крайними положениями.
• Наличие клетки, которая является неотъемлемой частью всех современных устройств с подвесами. Этот элемент позволяет надежно закрепить подвижную часть и тем самым свести к минимуму риск повреждения устройства при транспортировке.
• Возможность установки электростатического экранирования для обеспечения наиболее эффективной защиты устройства от протечек.

Определенные конструктивные особенности гальванометров связаны именно с наличием упомянутой подвижной части. В частности, регулировка демпфирования, пропорционального его колебаниям, осуществляется подбором внешнего сопротивления (R).

В паспорте каждого устройства обязательно указано максимальное значение этого критического параметра.

На практике внешнее сопротивление в большинстве случаев устанавливается как можно ближе к критическому значению. Это, в свою очередь, исключает риск колебаний стрелки (указателя) в пределах положения равновесия.

Основные характеристики гальванометров

Несмотря на простоту конструкции таких устройств, они также имеют основные характеристики и опции, определяющие их работу и чувствительность.

• Одним из основных параметров агрегата является константа. Значение определяется доступной длиной между шкалой и зеркалом и рассчитывается в соответствии со стандартной длиной 1 метр. Для портативных автомобилей это значение считается ценой деления используемого веса. Составляет для современных приборов: стационарных — 10-11 Ам/мм, переносных приборов — 10-8 — 10-9 А/дел. Для всех типов приборов допускается погрешность ±10%.
• Постоянство «нуля» указателя (невозврат стрелки в точку «ноль» при движении из крайнего положения, указанного на шкале). По этому параметру они различаются рангами постоянства. Этот показатель, имеющий числовое значение, должен быть указан на шкале и нанесен в виде ромбовидного клейма.
• Наличие магнитного шунта. Положение можно изменить поворотом внешней ручки, что вызывает изменение: магнитной индукции в зазоре и константы гальванометра (за I три раза). Поэтому во всей технической документации, а также в паспорте устройства постоянные значения всегда указываются в 2-х положениях шунта: во втянутом состоянии, во вставленном состоянии.
• Наличие корректора. Через него можно переводить стрелку (указатель) из одного крайнего состояния в другое.
• Наличие разрядника. Им в обязательном порядке оснащаются все статические устройства с подвесом, так как он позволяет жестко зафиксировать подвижную часть устройства. Это помогает предотвратить повреждение при перемещении.
• Наличие электростатического экранирования. Он устанавливается для защиты агрегата от протечек.

Так как они содержат подвижный компонент, его движение и колебание пропорциональны демпфированию, которым можно управлять, выбирая внешнее R. Максимально допустимое внешнее R (критическое) всегда указывается в паспорте изделия. На практике стараются подобрать реальное R как можно ближе к критическому значению R. Это исключает возможность колебаний стрелки вокруг положения равновесия..

Функции

У многих возникает вполне закономерный вопрос, зачем нужен гальванометр в физике и быту. Как уже было сказано, этот прибор измеряет параметры электрической сети. При этом в основе функции лежит преобразование тока в механическое движение, в результате чего на шкале отображаются нужные показатели.

Как правило, рассматриваемое оборудование выполняет функции аналоговых приборов, измеряющих силу тока в сети.

Специалисты различных отраслей промышленности используют гальванометры для получения данных, подтверждающих, что искомые параметры находятся в определенных пределах. Это позволяет эффективно контролировать состояние электрических цепей и вовремя обнаруживать неисправности.

Важно помнить, что отклонение параметров от установленных норм чаще всего свидетельствует о неисправности в системах.

В зависимости от того, какая часть прибора является подвижной, гальванометры делятся на две основные категории. Это, в свою очередь, определяет их функциональность. Так, к первому варианту относятся устройства с подвижными магнитами, а ко второму — устройства с подвижными проводниками.

Оба типа одинаково эффективны при измерении медленно меняющегося тока в данный момент времени, а также тока при быстро меняющемся соответствующем напряжении. Кроме того, в перечень функций входит учет суммарного действия тока за заданный промежуток времени, который обычно выполняют флюмометры и баллистические гальванометры.

Устройство и принцип работы

Чтобы ответить на вопрос, как работает такой прибор, следует отметить, что конструкция простейшего гальванометра, родившегося в самом начале XIX века, включала в себя магнитную стрелку (стрелку), которая подвешивалась на тонкой проволоке и помещается внутрь неподвижной катушки. Как только в этой проводной конструкции появляется электрический ток, стрелка отклоняется от исходного положения. При отсутствии питания в системе указатель останется неподвижным, то есть стрелка будет указывать на нулевую отметку.

Многие модели современных гальванометров представляют собой магнитоэлектрические приборы, использующие действие электрического тока. Их стандартная конструкция включает в себя следующие элементы.

1. Постоянный магнит.
2. Вращающаяся катушка, помещенная между полюсами.
3. Облегченная стрелка (стрелка), которая соединена с катушкой и образует с ней одну ось вращения. При отсутствии тока в последнем указатель фиксируется на нулевой отметке с помощью возвратной пружины.

В поле постоянного магнита помещена катушка (обмотка), на которой закреплен стрелочный указатель. В исходном положении эта конструкция удерживается упомянутой выше пружиной.

При прохождении электрического тока через катушку в ней сразу возникает магнитное поле. Параллельно происходит взаимодействие между ним и полем постоянного магнита. При этом обмотка вместе со стрелкой начинает отклоняться от нуля, что является показателем наличия тока в системе.

Как только исчезает электрический ток, исчезает и магнитное поле катушки. В этот момент под действием пружины стрелка возвращается в исходное положение. И в данном случае речь идет о наглядной демонстрации отсутствия тока в цепи. Другими словами, выполняется одна из функций гальванометра, то есть проверка на наличие напряжения.

Для понимания функций устройства следует отметить, что на сегодняшний день широко используются различные модификации описываемых устройств.

Так, мобильные устройства оснащены подвижной рамкой, которая закрепляется на удлинителях, а также встроенной шкалой и стрелочным или световым индикатором. Стационарные модели гальванометров устанавливаются по уровню, а на раме закрепляется небольшое зеркальце. Такие приборы оснащены внешней шкалой со световым индикатором, отличающейся максимальной чувствительностью.

С помощью светового луча, который отражается от зеркала и движется по шкале параллельно, осуществляется управление угловым перемещением рамки. На практике такие устройства рамочного типа применяются в качестве индикаторов нуля, то есть устройств, определяющих отсутствие электрического тока или напряжения в сети. Они позволяют в лабораторных условиях зафиксировать параметры на минимальных значениях I и U.

Почти все гальванометры снабжены магнитными шунтами, положение которых регулируется выносной ручкой для изменения величины индуктивности в рабочем зазоре. Таким образом можно изменить значения нужных параметров не менее чем в три раза с учетом требований действующих стандартов. За перемещение указателя в обе стороны от нулевой отметки отвечает специальный корректор.

Еще одним важным моментом является необходимость эффективной защиты гальванометров от помех.

Особенно это касается высокочувствительных устройств. Так, для стационарных моделей измерительной техники часто сооружают специальный фундамент (фундамент), надежно предотвращающий механические воздействия. Утечка тока, как уже упоминалось, предотвращается экранированием. Среди прочего следует отметить, что каждый вид современного измерительного прибора имеет свои конструктивные особенности и принцип работы.

Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

гальванометр — прибор для измерения силы гальванического или вообще электрического тока, основанный на наблюдении магнитных эффектов, производимых этим током. В 1820 году датский ученый Эрстед впервые обнаружил влияние провода, соединяющего два полюса двадцатиэлементной батареи (медь, цинк и вода, подкисленная серной и азотной кислотой), на положение магнитной стрелки вблизи этого провода .

Под влиянием особого электрического процесса, происходящего при этом в проводе, процесса, названного Эрстедом «conflictus electricus» и лишь затем названного Ампером «электрическим током» (le courant é lectrique), магнитная стрелка отклоняется от своего равновесия положение в магнитном меридиане и устанавливается в новом положении, образуя угол с исходным, тем ближе стрелка к проволоке и тем меньше угол, образованный направлением последней с осью стрелки в ее неотклоненном состоянии должность .

Работа Эрстеда была датирована 20 июля 1820 года. Менее чем через два месяца после этого (18 сентября, а затем 25 сентября) Ампер представил Французской академии результаты своих исследований, в которых он не только тщательно проверил и изучил факты, обнаруженные Эрстедом , но и показал существование целого ряда новых явлений: действие проводника с током на проводник с током, действие земли на проводник с током и, наконец, действие магнита на проводник с током последний.

В то же время Ампер также дал теорию всех открытых им и Эрстедом явлений и рассматривал магнит как совокупность очень малых замкнутых токов, окружающих частицы железа. В своем сочинении, содержащем описание опытов над подобными действиями тока, Ампер приводит легко запоминающееся правило, по которому для данного случая можно определить направление отклонения магнитной стрелки от действия тока: наблюдатель, воображающий, что он находится по направлению течения так, что течение идет от ноги к голове, и смотрящий на северный конец стрелки, отклонение к этому концу всегда представляется влево.

Ампер предложил назвать прибор, основанный на этом действии тока и способный указывать направление тока и его силу, гальванометром. Но гальванометр Ампера еще не представляет собой отдельного прибора. Удлиненный гальванический элемент, помещенный примерно в магнитном меридиане с магнитной стрелкой над ним, или отрезок проволоки, проходящий от полюса элемента к другому его полюсу, натянутый горизонтально выше или ниже стрелки, — это, по Амперу, есть гальванометр.

Первый прибор, гальванометр (точнее, гальваноскоп), или, как его тогда называли, умножитель, был устроен в том же (1820) году Швейгером. Умножитель Швайгера в своем первоначальном виде представлял собой один открытый виток провода вокруг магнитной стрелки, размещенный в вертикальной плоскости так, чтобы стрелка находилась в плоскости этого витка. Концы провода вводились в цепь тока, после чего наблюдалось отклонение стрелки под действием этого тока. Затем Швейгер и независимо от него Поггендорф устроили умножитель, обнаруживавший более слабые токи.

Такой умножитель состоял из катушки тонкого изолированного провода, правильно намотанной на специальную деревянную раму и размещенной витками вертикально; в центре внутри катушки находилась магнитная стрелка, подвешенная на шелковой нити. Позднее в этих устройствах стали использовать астатическую систему магнитных стрелок. Астатическая система представляет собой две почти одинаковые магнитные стрелки, расположенные параллельно на некотором расстоянии друг от друга и обращенные противоположными полюсами в одну сторону.

Обе стрелки соединены между собой вертикальной проволокой. Их подвешивают на шелковой нитке так, чтобы нижняя стрелка попадала внутрь катушки умножителя, верхняя — над ней. При прохождении тока через катушку обе стрелки испытывают действие тока в одном направлении, а земля, как магнит, действует на обе стрелки в противоположном направлении.

Так, при употреблении такой системы из двух стрел при усиленном отклоняющем действии тока противоположное действие земного магнетизма, стремящегося вернуть эти стрелы в исходное положение, оказывается значительно ослабленным; в результате астатическая игольчатая система более чувствительна к току, чем одиночная магнитная игла. В умножителе катушка может вращаться вокруг вертикальной оси, что представляется необходимым для калибровки этого прибора, то есть определения величины его показаний.

Отклонение стрелок от исходного положения при прохождении тока наблюдают с помощью специальной горизонтальной окружности, разделенной на градусы. Первый гальванометр, с помощью которого ток измерялся непосредственно по углу производимого им отклонения магнитной стрелки, а именно ток был пропорционален тангенсу этого угла, был устроен в 1833 г. Нервандером, профессором Гельсингфортского университета.

Катушка, по которой проходил ток в этом гальванометре, была намотана на невысокий вертикальный цилиндр круглого сечения с проводом, параллельным шнурам на основании цилиндра и параллельно оси на боковой грани. В центре этого цилиндра помещалась магнитная стрелка, подвешенная на шелковой нити. По плоскостям этих витков в магнитном меридиане устанавливался реальный цилиндр витков проволоки.

Нервандер на опытах установил, что тангенс угла отклонения стрелки прямо пропорционален силе тока, проходящего через прибор, когда отклонение не превышало известного для каждого экземпляра прибора предела. Позже Нервандер построил гальванометр другого типа. В этом гальванометре на магнитную стрелку воздействовала катушка, изготовленная на горизонтальном цилиндре и помещенная под стрелку перпендикулярно магнитному меридиану.

Используемые в настоящее время гальванометры можно разделить на три группы:

1) гальванометры для точного определения силы тока в абсолютных единицах, а также для сравнения не очень малых сил тока; 2) гальванометры для обнаружения и сравнения очень слабых токов и

3) технические г. В основе определения силы тока с помощью гальванометра лежит закон действия проводящего элемента с проходящим через него током на магнитный полюс — закон впервые сформулировано в 1828 г.

Ампером после опытов Био и Савара по взаимодействию токов и магнитов. Закон Ампера заключается в следующем. Любой проводящий элемент с током действует на магнитный полюс в направлении нормали к плоскости, проходящей через полюс и проводящий элемент с силой:

f = k ids m sin(r,ds)/r2,

где i — сила тока в проводнике, выраженная в условных единицах, m — количество магнетизма в полюсе, также в условных единицах, r — расстояние между элементом проводника ds и полюсом, (r, ds) — угол, образуемый линией r с элементом ds, а k — коэффициент, зависящий от выбранных единиц тока, магнетизма и расстояния.

Приняв абсолютную электромагнитную единицу измерения количества магнетизма, dyna за единицу силы и сантиметр за единицу длины и приняв k = 1, мы получим силу тока, выраженную в абсолютной электромагнитной единице (см. Единицы измерения). Измерение). Используя закон Ампера, легко определить действие, которое испытывает полюс магнитной стрелки от тока, проходящего по вертикальному круглому проводнику или по катушке, плоскости вращения которой вертикальны и известно число и величина отдельных витков.

С другой стороны, нетрудно найти действие земного магнетизма на этот полюс, когда магнитная стрелка под действием тока отклоняется от своего положения в магнитном меридиане и образует со своей осью угол с направлением последнего . При равновесии в новом положении стрелки отклоняющее действие тока и противодействующее действие на нее земного магнетизма должны быть равны друг другу. По этому сходству двух подобных воздействий на древко стрелы можно численно определить силу тока, вызвавшую отклонение стрелы.

В простейшем случае, когда проводник, по которому течет ток, имеет форму окружности, плоскость которой совпадает с плоскостью магнитного меридиана, а радиус равен R, при этом магнитная стрелка очень короткая (не менее 10- в 12 раз меньше диаметра окружности) и расположен в центре круглого проводника, поэтому при отклонении магнитной стрелки от магнитного меридиана на угол α полюс этой стрелки испытывает воздействие тока, находящегося под влияние которого стрелка стремится отклониться дальше, равное: (2 π/R)(микос α), а тот же полюс при этом испытывает действие земного магнетизма, и возвращает стрелку обратно к магнитному меридиану, равному Hmsin а; здесь H — горизонтальная составляющая силы земного магнетизма (см земной магнетизм), m — количество магнетизма на полюсе стрелки. Итак, для баланса необходимо:

(2 н/R)(микос α)=Hmsin α

откуда i = (R/2 π)Htg α (1).

Зная радиус круглого проводника R, определив H опытным путем и наблюдая угол отклонения магнитной стрелки α, по этой формуле вычисляем силу тока ii в абсолютных единицах. Устроенный в соответствии со сказанным, магнит называется абсолютным магнитом.

В таких абсолютных магнитах, как и в магнитах второй группы, магнит обычно подвешивают на коконной проволоке, а его отклонение наблюдают с помощью световое зеркало, соединенное с магнитом, который либо пучок лучей в горизонтальной шкале отражает свет, либо отражает в зрительную трубу деление горизонтальной шкалы, расположенное на некотором расстоянии перед ним (см. Измерение углов, метод Гаусса-Поггендорфа). Абсолютная G была устроена Вебером, который первым измерил силу тока в абсолютных единицах.

Для измерения более слабых токов вместо одного витка провода иногда используют несколько витков по абсолютному G.

Г, рассчитанный для сравнения токов, обычно устроен катушкой, состоящей из большого или малого числа витков, причем эти витки располагаются в несколько слоев. Для достаточно сильных токов катушку делают из толстой проволоки и число витков не берут особо большим, для более слабых токов катушку делают из тонкой проволоки и число витков в ней берут большое.

В первом случае сопротивление Г может быть небольшим, во втором — большим. Не зная точно величины и положения витков, невозможно вычислить действие, испытываемое полюсом магнита от тока, проходящего через катушку; однако это действие во всяком случае пропорционально силе тока, что следует из закона Ампера. Если катушку расположить своими витками в магнитном меридиане, при этом магнитная стрелка очень короткая и находится в центре этой катушки, то при отклонении этой стрелки от магнитного меридиана на угол α она также будет:

Gimcos α = Hmsin α, где G — величина, определяемая размерами и формой катушки; — постоянная гальванометра. Из приведенной выше формулы имеем:

i = (H/G)tg α = Ctg α (2),

т е ток пропорционален тангенсу угла отклонения стрелки. Такой G Пулье называет тангенциальным компасом.

Обычно значение коэффициента С (коэффициент пересчета) определяют опытным путем, при этом наблюдают угол отклонения α в G и измеряют силу тока в абсолютных единицах с помощью вольтметра. Зная C, очевидно, можно вычислить силу тока в абсолютных единицах по углу α.

В прежние времена довольно часто применялась другая методика измерения силы тока. При отклонении стрелки от магнитного меридиана катушку гальванометра поворачивали за стрелку вблизи вертикальной оси до тех пор, пока стрелка снова не оказывалась в плоскости вращения катушки. Если через β обозначить наблюдаемый одновременно угол поворота катушки, стрелка в равновесии, а также отклонение угла β, будет:

Gim = Hmsin β ,

из чего, наконец,

i = С sin β (3).

Такой Г., по которому поэтому можно определить угол поворота катушки, называется синусоидальным компасом (Пулье). Использование синусоидального компаса возможно только до известной силы тока. Преимущество этого метода в том, что при нем не нужно брать стрелу очень короткой. Формула 3 действительна для стрел любой длины, а формула 2 применима только к очень короткой стреле. На рис. 1 (таблица «Гальванометры») показана очень практичная форма G. Эту G можно использовать как в качестве тангенциального компаса, так и в качестве синусоидального компаса. G это дизайн Siemens.

На рисунке во второй таблице показан гальванометр Видемана, относящийся ко второй группе. В этом гальванометре ток проходит через две катушки, расстояние которых от магнита может быть различным; катушки перемещаются на салазках.

Кольцевой магнит (А) подвешен вместе с зеркалом (m) на проволочном коконе (f показан отдельно слева). Магнит находится в углублении, сделанном в красных медных шариках. Целью наличия вблизи магнита массы хорошо проводящего металла является гашение колебаний магнита за счет влияния индукционных токов, развивающихся в металле при движении магнита.

Такими «реставраторами» в виде шара, а магнитами типа колокола с обрезанными с двух сторон в гальванометрах Сименса достигается то, что приводимый в движение магнит сразу устанавливается в определенное положение, не колеблясь вокруг него. Такие гальванометры называются апериодическими. В гальванометре Видемана и других подобных за отклонением магнита наблюдают с помощью зеркала, соединенного с магнитом.

Расчеты показали, что гальванометр будет более чувствителен, т е способен обнаруживать более слабые токи, когда размеры катушки малы и, главное, магнит находится очень близко к виткам катушки. На рисунке в третьей таблице показан высокочувствительный астатический гальванометр Томсона, удовлетворяющий вышеуказанным условиям. Этот гальванометр имеет две пары катушек из очень тонкой проволоки и большого числа витков. Одна пара катушек внизу, другая пара вверху.

Астатическая система магнитов прикреплена к алюминиевой проволоке, подвешенной к короткому кокону. Эта система состоит из двух отдельных систем небольших магнитов, изготовленных из очень коротких стальных пружин. В каждой такой системе 3 или 4 магнита обращены к одним и тем же полюсам в одном направлении. Полюса магнитов одной системы противоположны магнитам другой системы.

Каждая такая система помещается в отверстие в центре двух уложенных вместе катушек. К задней части светового зеркала прикреплена система магнитов (вверху рисунка). Благодаря астатической системе магнитов значительно ослабляется влияние земного магнетизма на все магниты. Эффект земного магнетизма можно еще больше ослабить, поместив магнит сверху гальванометра. Этот магнит (астазис) можно опускать или поднимать, благодаря чему изменяется его воздействие на подвешенную систему, т е увеличивается или уменьшается чувствительность гальванометра.

В гальванометре Томсона можно пропускать ток через катушки так, чтобы обе пары катушек действовали в одном направлении на магниты внутри них. Возможно и другое применение такого гальванометра: через одну пару катушек (например, нижнюю) пропускают один ток, через другую пару (верхнюю) и действие этих пар катушек на их магниты будет непосредственно противоположный. В таком виде используемый гальванометр называется дифференциальным. Гальванометр Видемана также можно использовать в качестве дифференциального гальванометра.

Астатический гальванометр Томсона — очень чувствительный прибор. Аналогичным гальванометром, если четыре катушки, соединенные последовательно, имеют сопротивление около 5000 Ом, можно измерить ток силой 0,00000000002 ампера. Сейчас выпускаются гальванометры того же типа, сопротивление катушек которых составляет 100 000 Ом и более. Эти гальванометры регистрируют еще более слабые токи.

При измерении кратковременных токов (индукции) в гальванометре необходимо соблюдать только угол, под которым магнит отбрасывается током. Теория показывает, что сила такого тока (точнее, количество электричества, протекающего через гальванометр) пропорциональна sin(θ/2), где θ — угол, под которым брошен магнит.Для большего удобства наблюдения угол бросания магнита, последний, т е магнит, принимается в данном случае тяжелым. Такой гальванометр называется баллистическим гальванометром.

Помимо различных модификаций описанных гальванометров, для измерения не очень слабых токов применяют и гальванометры, устроенные по идее Гогена, где тангенс угла отклонения магнита гораздо ближе к пропорциональности силе тока, чем в обычных тангенциальные гальванометры, когда длина магнита берется не очень малой по сравнению с радиусом витков обмотки.

В гальванометрах Гогена по поверхности усеченного конуса с плоскостью вращения, перпендикулярной оси, наложена обмотка из изолированного провода, а на вершине такого конуса расположена магнитная стрелка с центром; сам конус имеет радиус основания, вдвое превышающий его высоту. Как показывает расчет, при такой форме катушки, которая дает отклонение магнитной стрелки, длина стрелки имеет меньшее значение отношения между силой тока (i) и тангенсом угла (α) отклонение стрелы, отчего закон касательных, т е в = Ctg α, представляется в этом случае более строго, чем при обычной цилиндрической катушке.

Не принимая во внимание описание других типов гальванометров, применявшихся ранее, а то и частично применяемых в настоящее время на практике, например в телеграфии, основанных главным образом на уравновешивании действия тока на магнит посредством силы тяжести на нем (таких, например, как в учебных классах гальванометр Бурбузы, напоминающий весы, или вертикальный телеграфный гальванометр), перейдем к оценке современных технических гальванометров, непосредственно показывающих силу тока в амперах и называемых амперметрами или, короче, амперметрами.

Обычные гальванометры, в которых отклонившийся магнит стремится вернуться в определенное положение под действием силы земного магнетизма, практически непригодны в помещениях, где находятся динамо-машины. Электромагниты этих машин оказывают сильное влияние на положение магнита гальванометра даже тогда, когда последний находится на значительном расстоянии от них.

В результате необходимы устройства, построенные по другому принципу. Существующие в настоящее время амперметры можно разделить на несколько отдельных категорий. К первой категории относятся те амперметры, в которых ток, проходящий через катушку, состоящую из большего или меньшего числа витков провода, в зависимости от тока, для измерения которого предназначен прибор, действует на намагниченную стрелку (или на систему из нескольких намагниченных стрелок), вращающихся вокруг оси и помещенных между полюсами сильного постоянного подковообразного магнита.

Магнитное поле, существующее между полюсами такого магнита, действует на стрелку и старается установить ее в направлении силовых линий, т е в направлении линии, соединяющей полюса магнита. Катушка, окружающая стрелку, расположена так, что ток, наоборот, стремится установить стрелку перпендикулярно этому направлению. При разных токах (между известными для каждого прибора пределами) стрелка будет устанавливаться в одинаковом магнитном поле под углом к ​​направлению силовых линий, тем больше ток, проходящий через катушку.

Положение стрелки определяется соединенным с ней указателем, вращающимся по шкале, деления которой расположены по дуге окружности. Путем пропускания тока разной силы через амперметр и вольтметр определяют значения делений шкалы вольтметра в амперах, то есть амперметр калибруют. В таких устройствах стрела обычно железная. Намагничивается под действием самого магнитного поля, т.е подковообразным магнитом.

При использовании сильного подковообразного магнита его воздействие на стрелу настолько велико, что воздействие на нее даже вблизи стационарного динамо-машины совершенно незаметно. Этот тип гальванометра, или амперметра, впервые изобрел Марсель-Депре. Амперметр такого типа, который сейчас строит механик Карпантье.

В этом амперметре, который можно увидеть на рисунке, изображающем внутреннюю часть прибора, используются два подковообразных магнита, размещенных так, что их одноименные полюса находятся рядом. Недостатком амперметров этой категории является то, что степень намагниченности магнитов со временем меняется и поэтому без новой калибровки показания прибора будут неверными.

Амперметры второй категории основаны на свойстве катушки, по которой проходит ток, втягивать в себя железный стержень или железную трубу. Это втягивание, если только железо намагнитить до насыщения током самого слабого тока, измеряемого этим прибором, будет происходить с силой, пропорциональной силе тока, проходящего через катушку.

В приборах этой категории усилие втягивания в виток тонкой железной трубки определяют либо растяжением спиральной пружины, поддерживающей трубку (амперметр Кольрауша), либо вращением свободного конца свернутой по спирали узкой металлической полоски (Амперметр Айртона и Перри). Амперметры третьей категории основаны на вращении под действием тока, проходящего через катушку эксцентрично расположенного внутри этой катушки незамкнутого железного кольца или какой-либо другой формы изогнутого тонкого железа.

Сопротивление потоку в этих агрегатах оказывает сила тяжести вращающейся части. Внешний вид одного из амперметров этой категории. Вольтметр, устроенный по аналогичному принципу. Амперметры второго и третьего разряда могут применяться для измерения силы токов как постоянного, так и переменного. Для переменного тока устраивают и амперметры, основанные на удлинении провода за счет его нагрева от проходящего по нему тока. У. Томсон устроил амперметр (нормальный), основанный на взаимодействии проводников и токов.

Одна катушка закреплена на специальном балансире, другая, неподвижная, размещена под ним. Сила тока определяется величиной притяжения первой катушки второй при прохождении тока через обе эти катушки. Притяжение измеряется скручиванием проволоки, удерживающей коромысло. Для разных токов назначаются разные равные веса амперметра.

Существующие амперметры соответствуют токам всех видов силы. Есть амперметры, измеряющие тысячные доли ампера (миллиампер), а есть амперметры, измеряющие тысячи ампер. Заслуживает внимания в виду большего удобства с гальванометром-амперметром особого типа, устроенным Дарсонвалем. На рис. 4 показан этот блок. В гальванометре Дарсонваля, в отличие от обычных гальванометров, магнит неподвижен, а катушка, по которой проходит исследуемый ток, может вращаться вокруг вертикальной оси.

Стальной подковообразный магнит (А) закреплен вертикально; между полюсами этого магнита находится железный цилиндр (б), поддерживаемый специальной стойкой. Этот цилиндр предназначен для увеличения напряженности магнитного поля между полюсными поверхностями магнита (см. Магнитное поле). Цилиндр B окружен квадратной рамкой (C), состоящей из витков проволоки.

Этот каркас поддерживается двумя вертикальными натянутыми тонкими проволоками, к которым присоединены концы проволоки каркаса. Ток, входя в один из выводов (показан на рисунке ниже на деревянном основании прибора), поступает в рамку через нижний вертикальный провод, из него в верхний вертикальный провод и далее через медный столб в другой вывод.

При прохождении тока через витки рамки магнит стремится повернуть эту рамку и установить свои плоскости вращения перпендикулярно линии, соединяющей полюса магнита. Этому вращению противодействует результирующее скручивание двух проводов, к которым прикреплена рама.

Чем больше вращение рамки, тем больше ток, проходящий через рамку. Этот поворот рамки наблюдают либо с помощью зеркала (показанного на рисунке), соединенного с рамкой, либо с помощью указателя, также соединенного с рамкой, и специальной шкалы в виде дуги окружности. На показания этого гальванометра, как и на показания амперметров, не влияет близость магнитов или электромагнитов.

Читайте также: Полупроводниковые приборы

Синонимы к слову гальванометр

• гальванограф
• термогальванометр

Как правильно использовать?

Гальванометрами смело можно назвать целый класс измерительной техники, характеризующийся максимальным уровнем точности и применяемый для изучения величины электрического тока, проходящего по проводникам, а также других его параметров. Благодаря широкому модельному ряду и их функциональным возможностям данные средства измерений успешно используются на производстве, в домашних и лабораторных условиях. В этом случае простейшее приспособление можно изготовить своими руками.

Гальванометр работает как самостоятельный прибор, отображающий параметры малых токов или выполняющий функции нулевых индикаторов, так и как основной блок других приборов. Так что есть альтернатива использованию описанной техники в качестве амперметра и вольтметра. Для этого потребуется:

• подключите шунтирующий резистор параллельно прибору для определения силы тока;
• установить последовательно в цепь дополнительный резистор для измерения напряжения.
  Помимо этих опций, гальванометры могут эффективно выполнять функции других приборов.

1. Термометр в паре с датчиком температуры и экспонометром при подключении фотодиода.
2. Счетчик заряда. В данном случае речь идет о работе точных баллистических гальванометров, дающих возможность определять параметры одиночных импульсов, во время которых происходит резкое движение (отталкивание) рамки.
3. Нулевой индикатор, эффективно определяющий отсутствие электрического тока в цепи при фиксации стрелки на нуле, масштабируется соответствующим образом.
4. Устройства для регистрации сигналов осциллографа. Особенности конструкции позволяют подключать гальванометр непосредственно к так называемому принтеру. В результате при фиксации импульса устройство моментально реагирует и одновременно активирует пишущее устройство, которое в свою очередь выводит все данные на бумагу.
5. Средства для выполнения оптического сканирования. Имеется в виду использование моделей зеркал в системах лазерной оптики.

На данный момент аналоговые конструкции активно сдают позиции, уступая место современным, цифровым устройствам. Согласно современной статистике, наиболее распространенными сейчас являются зеркальные гальванометры. Они до сих пор достаточно широко используются в качестве элементов различных лазерных систем. Это связано с их способностью отражать лазерные лучи.

Вне зависимости от типа измерительного оборудования, его конструкции и функциональных возможностей, к эксплуатации следует подходить грамотно. Параллельно необходимо помнить о технике безопасности, так как речь идет о работе с электричеством. Не менее важными моментами будут правила хранения и ухода за приборами, изложенные в соответствующих инструкциях.

Отличия от амперметра

Независимо от особенностей конструкции и диапазона выполняемых операций любой гальванометр представляет собой электроизмерительный прибор, характеризующийся повышенной чувствительностью и применяемый для определения силы тока незначительной величины. При этом многих интересует, в чем отличие этих образцов измерительной техники от классических амперметров. В первую очередь следует отметить, что последний является оборудованием для нахождения величины силы тока, измеряемой в амперах.

Шкала таких приборов, учитывая диапазон выполняемых ими измерений, может градуироваться в микроамперах, миллиамперах, амперах и килоамперах.

В отличие от микроамперметра, способного также определять показатели при относительно малых токах, шкала гальванометра калибруется по нескольким электрическим величинам. В их список входят, в том числе, устройства напряжения.

Еще одним важным моментом является то, что описываемые средства измерения могут иметь условную градуировку. Чаще всего такую ​​шкалу можно встретить в ситуациях, когда гальванометр выполняет функции нулевого индикатора.

Виды

Несмотря на то, что все описанные измерительные приборы имеют одинаковый принцип действия, существует целый перечень их вариантов. При этом каждый тип устройства отличается от других дизайном и функциональностью. Широкий выбор позволяет приобрести оборудование, полностью отвечающее всем требованиям и предпочтениям потенциального покупателя. При этом кому-то довольно сложно разобраться в многообразии имеющихся моделей и таких обозначений, как, например, М-001.

Так гальванометры М195 и М195/1 предназначены для измерения нуля. Стоит отметить, что все модели техники, представленные на рынке, отличаются друг от друга, в первую очередь, конструктивно. Магнитоэлектрические устройства имеют электропроводящий каркас, закрепленный во время работы на специальной оси, помещенной в магнитное поле. Отклонение стрелки от нулевого положения определяется величиной подаваемого тока, индукцией и жесткостью возвратной пружины.

Основной характеристикой этого типа устройств является их повышенная чувствительность.

Особенностью тангенциальных гальванометров является наличие компаса, необходимого для сравнения магнитных полей электрического тока и земли. Свое название устройства получили из-за того, что их действие основано на тангенциальном законе магнетизма. Катушка в этом случае изготовлена ​​из меди и имеет изоляцию. Сама рамка размещена вертикально и при работе устройства вращается вокруг своей оси.

Компас находится в горизонтальной плоскости и в центре круговой шкалы. Перед началом работы тангенциальный гальванометр располагают так, чтобы стрелка компаса совпадала с плоскостью намотки. После этого через нее пропускают ток, создающий магнитное поле на оси катушки.

Следует отметить, что искусственное поле перпендикулярно магнитному полю планеты.

В результате указатель единицы реагирует на оба активных поля и отклоняется на некоторый угол от нулевой отметки, являющейся тангенсом отношения искусственных полей к естественным.

Помимо уже описанных, существуют еще следующие виды гальванометров.

• Электромагнитные устройства достаточно простой конструкции, где основными элементами являются неподвижная катушка и свободный магнит или сердечник. При прохождении электрического тока этот подвижный элемент вращается или втягивается в катушку. Основным недостатком таких моделей является нелинейность шкалы, что затрудняет калибровку. В подавляющем большинстве случаев электромагнитные гальванометры работают как амперметры переменного тока.
• Электродинамические устройства, в которых катушки выполняют функции статического и подвижного элементов.
• Зеркала, отличающиеся от подавляющего большинства своих «собратьев» максимальной точностью. В этом оборудовании для снятия показаний используются маленькие зеркала и отражающийся от них луч света. В свое время этот тип гальванометра получил широкое распространение.
• Вибрационные модели, представляющие собой вариацию на тему зеркальных измерителей. Одной из их главных особенностей является компактность и малый вес. Настройка устройства осуществляется с помощью натяжения пружины.
• Термогальванометры, в конструкцию которых входит система рычагов и проводник. По мере прохождения через него последнего электрического тока его длина изменяется (увеличивается). Параллельно рычаги преобразуют эту деформацию поводка в отклонение указателя.
• Апериодический. В этом случае суть функции оборудования сводится к тому, что стрелка гальванометра после каждого отклонения возвращается в положение равновесия.
• Баллистические приборы, используемые для определения параметров одиночных электрических импульсов. Подвижные элементы таких моделей отличаются повышенной инерционностью, что отличает их от других модификаций.

Помимо всего вышеперечисленного, также стоит обратить внимание на струнные гальванометры. В данном случае речь идет об одной из первых конструкций, которая изначально применялась в медицине. Создателем прибора в 1895 году стал голландский физиолог Виллем Эйнтховен. Измерительный прибор состоял из кварцевой нити, которая благодаря наименьшей толщине была способна колебаться под действием воздуха. Ее держали в магнитном поле под напряжением.

Все перечисленные типы гальванометров отличаются простотой конструкции и эксплуатации. Однако в связи с активным внедрением передовых технологий и инновационных технических решений в настоящее время практически повсеместно используются электронные измерительные приборы. Их главные преимущества – надежность и, конечно же, максимальная точность.

Ваттметры поглощаемой мощности радиодиапазона

Ваттметры поглощаемой мощности составляют очень большое и широко используемое подмножество радиоваттметров. Видовое деление этой подгруппы в основном связано с использованием различных типов первичных преобразователей (головок приемников).

В коммерчески доступных ваттметрах используются преобразователи термисторов, термопар и пиковых детекторов; значительно реже в экспериментальных работах применяют датчики, основанные на других принципах — пондеромоторные, гальваномагнитные и др ваттметр измеряет не падающую мощность, а поглощаемую мощность, которая отличается от падающей мощности на величину, равную КП×Рпад , где KP – коэффициент отражения мощности.

Закон Био-Савара-Лапласа

Модуль индукции, создаваемый элементом

применимо, находится по формуле ,

где  — угол между радиус-вектор и текущий элемент.

При выводе индукции магнитного поля i требуется центр круговой петли учитывать, что угол =90 (радиус всегда перпендикулярно касательной к окружности), один

(радиус катушка). Эти значения будут одинаковыми для всех применимых элементов поворотов.

§ 44. Получение индуктированной электродвижущей силы (э.д.с.)

Возьмем постоянный магнит 1 (рис. 91, а) и опустим его в катушку 2 (соленоид). Мы увидим, что стрелка включенного в цепь гальванометра 3 будет отклоняться (например, вправо). Это свидетельствует о возникновении ЭДС и появлении тока в соленоиде.

Рис. 91. Зависимость направления ЭДС индукции от направления магнитного поля и направления движения магнитного поля относительно проводника

Если остановить движение магнита, стрелка гальванометра вернется в нулевое положение (рис. 91, б). Это показывает, что для возникновения ЭДС индукции недостаточно наличия магнитного поля и проводника, необходимо еще, чтобы они двигались один по отношению к другому.

Вынув магнит из катушки (рис. 91, в), можно увидеть, что стрелка гальванометра отклонится, но в другую сторону (влево). Это показывает, что направление ЭДС индукции зависит от направления движения магнитного поля, пересекающего неподвижный проводник, или от направления движения проводника, пересекающего магнитное поле.

В приведенном опыте мы видели, что при опускании в катушку постоянного магнита стрелка гальванометра отклонялась вправо в том случае, когда магнит располагался северным полюсом вниз (см рис. 91, а). Если повернуть магнит северным полюсом вверх и снова опустить его в катушку, то стрелка гальванометра отклонится в другую сторону, т е влево (рис. 91, г). Это показывает, что направление ЭДС индукции также зависит от направления магнитного поля.

Явление возникновения ЭДС в цепи при пересечении ее магнитным полем называется электромагнитной индукцией и было открыто английским физиком М. Фарадеем в 1831 г.

Известно, что проводник, по которому течет электрический ток, окружен магнитным полем. Если вы измените величину или направление тока в проводнике или разомкнете и замкнете электрическую цепь, которая питает проводник током, то магнитное поле, окружающее этот проводник, изменится. Изменить, магнитное поле проводника пересекает этот же проводник и индуцирует в нем ЭДС. Это явление называется самоиндукцией. Сама ЭДС индукции называется ЭДС самоиндукции.