Гальванометр — что измеряет и как работает

Таким образом, даже в случае необходимости измерения электрических параметров без подключенного сопротивления, прибор способен функционировать как амперметр или вольтметр в зависимости от того, как он будет подключен к определенному участку электрической цепи.

Гальванометр

В области электротехники принято использовать различные измерительные приборы, предназначенные для определения таких величин, как сила тока, напряжение и сопротивление. К таким устройствам относятся амперметр, вольтметр и омметр. Тем не менее, в тех случаях, когда необходимо выявить и измерить очень небольшие уровни электрических токов, напряжений или количества электричества, наиболее подходящим инструментом становится гальванометр, который отличается высокой чувствительностью. Он способен указывать на отсутствие электрического напряжения или тока в цепях, которые обладают различными электрическими параметрами.

Простейшая конструкция гальванометра, разработанная еще в начале XIX века, включала магнитную стрелку, подвешенную на тонкой нити и размещенную внутри неподвижной проволочной катушки. Когда через катушку начинает проходить электрический ток, стрелка отклоняется от своего первоначального положения. В случае отсутствия тока стрелка сохраняет свое положение, совпадающее с меридианом данной местности, таким образом указывая на нулевую отметку.

Большинство гальванометров относятся к магнитоэлектрическим приборам. Их стандартная конструкция включает постоянный магнит, катушку, установленную между полюсами магнита, легкий указатель, который соединяется с катушкой и формирует с ней общую ось вращения. Указатель фиксируется на нулевой отметке при помощи пружины и возвращается в это положение в отсутствие электрического тока.

Практически все гальванометры работают по одному и тому же принципу.

• Когда электрический ток проходит через катушку, вокруг нее появляется магнитное поле, которое взаимодействует с полем, создаваемым постоянным магнитом.
• Это взаимодействие приводит к появлению силы, способствующей повороту катушки.
• Преодолев сопротивление пружины, катушка стремится занять положение между полюсами постоянного магнита.
• При перемещении катушки, указатель также перемещается, отображая результаты.
• Расстояние, на которое переместились указатель и катушка, пропорционально величине тока, протекающего через катушку.

Все движения указателя отображаются на шкале, откалиброванной в необходимых единицах измерения. На шкале могут быть нанесены также другие величины, например милливольты. Часто шкала гальванометра размечается условно, чтобы облегчить измерения.

Характеристики и особенности конструкции

Устройства, предназначенные для работы в цепях постоянного тока, могут быть переносными. Они оснащены подвижной рамкой, поддерживаемой растяжками, встроенной шкалой и указателем, который может быть стрелочным или световым.

Стационарные гальванометры устанавливаются на уровне и имеют небольшое зеркало, закрепленное на рамке. Эти приборы обеспечиваются выносной шкалой, что повышает их чувствительность и обеспечивает световой указатель. Угловое перемещение рамки контролируется тем, как отклоняется световой луч, отражаемый от зеркала, по шкале. Такого рода рамочные устройства часто используются в качестве нуль-индикаторов, позволяя в лабораториях измерять малые токи и напряжения.

Практически все гальванометры имеют встроенные магнитные шунты, которые регулируются наружной ручкой. Благодаря этому в рабочем зазоре изменяется величина магнитной индукции, что позволяет корректировать измеряемые значения как минимум в три раза в соответствии со стандартами. В маркировке и технической документации приборов эти значения указываются для обоих крайних положений шунта – при полном вводе и при полном выводе. В схемах гальванометра предусмотрен корректор, который позволяет двигать указатель от нулевой отметки в ту или иную сторону.

Многие устройства оборудованы специальными защитными механизмами. Среди них — арретир, который фиксирует подвижную часть на подвесе во время транспортировки прибора. Высокочувствительные гальванометры требуют защиты от электромагнитных помех. Для стационарных устройств используются специальные фундаменты, которые предотвращают механическое воздействие. Электростатическое экранирование применяют для защиты от утечек тока.

Также стоит упомянуть о баллистическом гальванометре. Это устройство позволяет измерять количество электричества, передаваемого короткими токовыми импульсами, в течение долей секунды. Для получения точных данных необходимо увеличить момент инерции подвижной части, установив специальный диск.

Принцип работы гальванометра

Работа прибора основывается на преобразовании замеряемого тока в механическое движение стрелки, которое сигнализирует о наличии или отсутствии данного параметра. На передней панели может отсутствовать традиционная шкала делений; в таком случае гальванометр используется для визуального отображения наличия или отсутствия тока. Именно поэтому такие устройства часто применяются в качестве нуль-индикаторов.

• Рамка с тонким проводом, удерживаемая специальной пружиной в покое (катушка), установленная в магнитном поле.
• Постоянный магнит.
• Шкала (с градуировкой или без) для отображения изменений.
• Указатель, механически соединенный с катушкой, образующий с ней единую ось вращения.

Все типы гальванометров имеют схожий принцип работы, который заключается в следующем:

• На катушку подается некоторое значение тока.
• Проходящий ток вызывает создание магнитного поля, взаимодействующего с полем постоянного магнита.
• Сила, возникающая при взаимодействии полей, старается повернуть катушку и установить ее между полюсами магнита.
• Указатель, который механически связан с катушкой, перемещается вместе с ней.
• На шкале гальванометра наносится градуировка, соответствующая отклонению указателя и величине тока.

Как было указано выше, шкала бывает как без градуировки, так и с условно нанесенными делениями. В таких ситуациях гальванометр используется в качестве нуль-индикатора.

Типовые конструкции

Гальванометры различаются по конструктивным особенностям и могут подразделяться на два основных типа:

• Переносные, предназначенные для цепей постоянного тока, часто включающие подвижную рамку, която закреплена на растяжках, шкалу и указатель (механический или световой).
• Стационарные (зеркальные), которые требуют обязательной установки по уровню и не предназначены для переноски.

Особенности устройства стационарного гальванометра

В отличие от переносных моделей, где подвижная рамка фиксируется при помощи растяжек, в стационарных устройствах рамка поддерживается на подвесе.

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

Когда стационарный прибор подключен к отрезку электрической цепи с протекающим током, рамка начинает движение и поворачивается. Для фиксации и измерения угла поворота используется зеркало, на которое подается световой луч от специальной лампы.

Функции

Многих интересует вопрос: для какой цели используется гальванометр в физике и повседневной жизни? Как уже было отмечено, этот прибор предназначен для измерения параметров электрической сети. Его работа заключается в преобразовании тока в механическое движение, что позволяет отображать искомые значения на шкале.

В большинстве случаев рассматриваемое устройство выполняет функции аналоговых приборов, измеряющих силу тока в сети.

Специалисты из различных отраслей используют гальванометры для получения данных, подтверждающих наличие искомых параметров в пределах определенных значений. Это позволяет эффективно контролировать состояние электрических цепей и своевременно обнаруживать неисправности.

Важно помнить, что чаще всего отклонение параметров от установленных норм свидетельствует о нарушениях в работе электрических систем.

Гальванометры также классифицируются по характеру подвижной части, что разделяет их на две основные категории, определяющие их функциональность. Таким образом, к одной из разновидностей относятся приборы с подвижными магнитами, а ко второй — устройства с подвижными токопроводами. Оба типа эффективно измеряют ток, который медленно меняется в конкретный момент времени, а также быстро изменяющиеся токи соответствующего напряжения. Более того, в перечень их функций входит учет общего действия тока за определенный временной промежуток, что чаще всего осуществляется с помощью флюметров и баллистических гальванометров.

Устройство и принцип работы

Отвечая на вопрос о том, как устроен данный прибор, стоит отметить, что конструкция самого простого гальванометра, появившегося в начале XIX века, состояла из магнитного указателя (стрелки), подвешенного на тонкой нити и находящегося внутри неподвижной катушки. Как только в этой проволочной конструкции начинает течь электрический ток, стрелка отклоняется от своего первоначального положения. В отсутствие тока указатель остается неподвижным, показывая на нулевую отметку.

Многие модели современных гальванометров являются магнитоэлектрическими устройствами, использующими эффекты электрического тока. Их стандартная конструкция включает в себя следующие компоненты.

1. Постоянный магнит, обеспечивающий магнитное поле.
2. Поворачивающаяся катушка, размещенная между полюсами магнита.
3. Облегченный указатель (стрелка), который соединен с катушкой и образует с ней одну ось вращения. Если ток в катушке отсутствует, указатель остается на нулевой отметке, удерживаемый возвратной пружиной.

Катушка (обмотка) устанавливается в поле постоянного магнита, где крепится стрелка-указатель. В своем исходном состоянии эта конструкция удерживается пружиной.

Когда через катушку проходит электрический ток, в ней появляется магнитное поле, которое взаимодействует с полем постоянного магнита. Это взаимодействие вызывает отклонение обмотки вместе с указателем от нулевого положения, что служит индикатором наличия тока в системе. С исчезновением электрического тока магнитное поле катушки также исчезает, в результате чего стрелка возвращается в исходное положение под воздействием пружины, тем самым визуально демонстрируя отсутствие тока в цепи. Таким образом, одна из функций гальванометра заключается в проверке наличия напряжения.

Изучая характеристики устройства, необходимо отметить, что в настоящее время широко используются различные модификации рассматриваемых устройств.

Так, мобильные устройства оснащены подвижной рамкой, которая удерживается на растяжках, и имеют интегрированную шкалу, а также стрелочный или световой указатель. Стационарные модели гальванометров выравниваются по уровню, а на рамке крепится небольшое зеркало. Эти приборы комплектуются выносной шкалой со световым указателем, что обеспечивает высокую чувствительность. Контроль углового движения рамки осуществляется путем наблюдения за светом, отражающимся от зеркала и перемещающимся по шкале. Эти рамочные устройства на практике применяются в качестве нуль-индикаторов, фиксирующих отсутствие электрического тока или напряжения в сети. Они позволяют в лабораторных условиях производить фиксацию параметров при минимальных значениях тока и напряжения.

Практически все гальванометры оборудованы магнитными шунтами, положение которых регулируется с помощью ручки, выведенной наружу, что позволяет изменять магнитную индукцию в рабочем зазоре. Таким образом, можно корректировать значения искомых параметров, как минимум в три раза, в соответствии с актуальными стандартами. За перемещение указателя от нулевой отметки в ту или иную сторону отвечает специальный корректор.

Кроме того, важным аспектом является необходимость эффективной защиты гальванометров от помех.

Классификация гальванометров

За менее чем двухсотлетнюю историю было разработано множество различных типов гальванометров, которые отличаются как по размерам, так и по принципу работы, шкале измерений и другим характеристикам.

Существует несколько групп гальванометров:

• по конструктивному оформлению (переносные и зеркальные);
• по времени действия тока (мгновенные, накопительные — кулонметры);
• по области применения (бытовые, исследовательские, промышленные и так далее).

По принципу действия:

• магнитоэлектрические, электромагнитные — вибрационные, баллистические;
• тангенциальные — основаны на тангенциальном законе магнетизма;
• тепловые — основаны на принципе, когда удлиняющийся (при нагреве от проходящего тока) проводник отклоняет стрелку;
• зеркальные — когда падающий луч света отклоняется от зеркала, поворачиваемого под воздействием магнитного поля.

История

Отклонение магнитной стрелки компаса в результате воздействия тока в проводе впервые описал датский физик Ханс Оерстед в 1820 году. Данное явление изучалось как для личной выгоды, так и для применения в качестве средства измерения электрического тока. О первом гальванометре сообщил Йохан Швайггер в университете Галле 16 сентября 1820 года. Также значительный вклад в развитие этого устройства внес французский физик Андре-Мари Ампер. Поначалу ранние проекты увеличивали эффект магнитного поля, создаваемого током, за счет многократных витков провода. Инструменты называли множителями, исходя из этой общей конструктивной особенности. Термин «гальванометр», широко используемый с 1836 года, был взят от имени итальянского исследователя электричества Луиджи Гальвани, который в 1791 году обнаружил, что электрический ток может вызвать сокращение лапы лягушки.

Первоначально эти инструменты полагались на магнитное поле Земли, которое служило восстанавливающей силой для стрелки компаса. Их назвали гальванометрами тангенса и требовали предварительной ориентации перед использованием. Поздние инструменты, не зависящие от положения в пространстве, использовали противостоящие магниты и могли работать в любом положении. Наиболее чувствительной формой является Thomson- или зеркальный гальванометр, который был усовершенствован Уильямом Томсоном (лордом Келвином) от раннего дизайна, созданного в 1826 году Йоханом Кристианом Поггендорффом. Дизайн Thomson, запатентованный в 1858 году, умел обнаруживать очень быстрые изменения тока. Вместо стрелки компаса использовались маленькие магниты, прикрепленные к легкому зеркалу, подвешенному на нити. Отклонение луча света значительно увеличивало изменение, вызванное даже очень небольшим током. Альтернативно, отклонение подвешенных магнитов могло наблюдаться напрямую через микроскоп.

Способность количественно измерить напряжение и ток положила начало формулированию закона Ома Георгом Омом, который утверждает, что напряжение на проводнике напрямую пропорционально току, который через него проходит.

Однако у ранних моделей гальванометров с перемещающимся магнитом имелся недостаток: они подвержены влиянию других магнитов и железных масс поблизости, а их отклонение не было линейно пропорционально току. В 1882 году Жак-Арсен д’Арсонваль и Марсель Депрез разработали модель с постоянным магнитом и движущейся катушкой провода, приостановленной на тонких проводах, что обеспечивало электрическое соединение катушки и возвратный момент для возврата в нулевое положение. Алюминиевая труба между частями полюса магнита обеспечивала круглый промежуток, по которому вращалась катушка. Это обеспечивало равномерное радиальное магнитное поле через катушку, что дало линейный отклик на всем диапазоне инструмента. Зеркало, прикрепленное к катушке, отклонялось от луча света, указывая на положение катушки. Концентрированное магнитное поле и тонкая подвеска сделали эти инструменты чувствительными; первоначальный инструмент д’Арсонваля мог обнаруживать токи до десяти микроампер.

Эдвард Уэстон существенно улучшил конструкцию. Он заменил пружину тонкой проволоки центром и обеспечил механическую модель, которая облегчала соединения и обеспечивала стабильность поля, тем самым обеспечивая последовательную точность в долгосрочной перспективе. Он заменил луч света и зеркало указателем в виде лезвия, который можно было считывать непосредственно. Зеркало находилось под указателем для устранения ошибки, связанной с параллаксом. Для поддержания поля была использована узкая конструкция, в которой катушка располагалась с минимальным воздушным зазором, и используется мягкое железо для полюса. Эта улучшенная линейность отклонения указателя относительно тока катушки. Наконец, катушка была выполнена из легкого проводящего металла, который действовал как увлажнитель. К 1888 году Эдвард Уэстон запатентовал и начал производить коммерческую модель этого инструмента, ставшую стандартным элементом электрооборудования. Этот инструмент стал известен как портативный, потому что его легко было установить, или можно было перемещать с места на место. Такой дизайн широко используется в современных измерительных приборах с движущейся катушкой.

Классификация гальванометров

За два столетия было разработано множество разнообразных гальванометров, отличающихся размерами, принципами работы, шкалами измерений и многими другими характеристиками.

Существует несколько групп гальванометров:

• по конструктивному оформлению (переносные и зеркальные);
• по времени действия тока (мгновенные, накопительные — кулонметры);
• по области использования (бытовые, исследовательские, промышленные и т. д.).

По принципу работы:

• магнитоэлектрические, электромагнитные — вибрационные, баллистические;
• тангенциальные — основаны на тангенциальном законе магнетизма;
• тепловые — удлиняющийся (при нагреве от проходящего тока) проводник отклоняет стрелку;
• зеркальные — падение луча света отклоняется от зеркала, которое поворачивается под воздействием магнитного поля.

Применение гальванометров

Трудно переоценить значение использования данного устройства в научно-исследовательской деятельности. Однако гальванометр нашел применение в различных сферах:

• в высокочувствительных измерительных приборах (амперметрах, вольтметрах);
• в кино- и фотоиндустрии (экспонометры, датчики освещенности);
• в электронике и электроэнергетике (нуль-индикаторы, измерители напряжений и токов);
• в детекции и записи сигналов в различных сигналопередающих устройствах (осциллографы, осциллоскопы) и т. д.

Гальванометр представляет собой целый класс высокоточных измерительных устройств, предназначенных для изучения величины электрического тока, проходящего через проводник, и его физических характеристик.

Разнообразие конструкций и принципов измерения дают возможность использования этого устройства в самых различных бытовых и промышленных ситуациях, что делает его простым в использовании (иногда возможно изготовление самостоятельно), а также незаменимым измерительным инструментом для областей, связанных с электроэнергетикой, электротехникой, электроникой и другими сферами, связанными с электромагнитным полем.