При проведении опытов с электричеством всегда важно знать, куда течет электрический ток и как изменяются в раз­личных условиях его сила и напряжение. Для получения таких сведений незаменимым прибором является гальвано­метр.
Принцип гальванометра очень прост: внутри катушки из проволоки помещается на горизонтальной подвижной оси якорь, к которому прикреплена стрелка-указатель. Если пропустить по катушке электрический ток, в ней создастся электрическое поле, которое, воздействуя на якорь, накло­нит его, например, вправо. Если изменить направление тока, то якорь наклонится, наоборот, влево. При увеличении напря­жения, подаваемого на катушку гальванометра, стрелка его отклонится соответственно больше.
Есть много систем и конструкций гальванометров. Мы же опишем, как сделать гальванометр самой простой конструк­ции и в то же время вполне надежный в работе.
В качестве катушки для прибора можно употребить катушку от любого междулампового радиотрансформатора, используя ее первичную обмотку. Если же не окажется такой, то катушку надо сделать самому. Об изготовлении каркасов для катушек мы рассказывали в статье „Трансформатор\», поэтому не будем останавливаться на этом вопросе. Наша катушка должна иметь размер окна 50X30 мм и высоту 40 мм. Внешний размер щечек будет равен: 90X70 мм. На этот кар­кас наматывается медная изолированная проволока диаметром 0,1 или 0,2 мм. Можно применить и несколько толще про­волоку.
Каркас катушки показан на рис. 38 а.

Рис. 38. Детали гальванометра.

а—каркас катушки для гальванометра, б—стойка для якоря гальванометра, в—подвижная система гальванометра в собранном виде.

Стойка для якоря изготовляется из латуни толщиной в 1 мм по рис. 38 б. Прежде чем сгибать стойку, на пластинке с обеих сторон, отступя по 5 мм, делаются углубле­ния острием гвоздя. Для этого полоска кладется на доску, наставляется гвоздь и по нему слегка ударяют молотком, но так, чтобы гвоздь только вмял латунь, не пробивая ее насквозь. В этих углублениях будет помещаться ось якоря. Ось лучше изготовить из стальной проволоки толщиной 2 мм и длиной 18 мм. Концы оси затачиваются.
Для якоря гальванометра необходимо раздобыть кусок стальной пружины от патефона или кусочек пружинной стали. Длина якоря должна быть 36 мм. Точно в центре якоря про­сверливается отверстие диаметром 2 мм. Якорь надевается на ось с большим трением и закрепляется на середине оси.
Стрелка-указатель изготовляется из легкого металла — алюминия. Можно, в крайнем случае, сделать ее и латунной. На расстоянии 18 мм от широкого конца стрелки просвер­ливается отверстие диаметром 2 мм, и стрелка насаживается на ось. На нижний конец стрелки напаивается маленький кусочек олова—противовес. Ось должна располагаться пер­пендикулярно к якорю. После этого якорь необходимо намаг­нитить. Намагничивать якорь можно постоянным магнитом. Для этого, прижимая якорь одним полюсом магнита, несколь­ко раз проводят им от оси к концу. Затем вторым полюсом магнита также проводят несколько раз по противоположному концу якоря. Таким образом эта операция производится раз 10—15, после чего якорь будет представлять собой хороший постоянный магнит.
Подвижная система прибора в собранном виде показана на рис. 38 в.
Шкала изготовляется из тонкой латуни или алюминия размером 70X1Ю мм. На одной из сторон на расстоянии 40 мм от торца делаются надрезы по 15 мм с каждой стороны. Лапки загибаются под прямым углом и затем на расстоянии 10 мм от изгиба отрезаются. Эти лапки нужны для устойчивости шкалы. Деления на шкалу наносятся так: из плотной белой бумаги вырезается полоса, такая же по форме, как шкала. Затем ножки циркуля расставляют на 75 мм и, установив циркуль посредине нижнего конца шкалы на высоте 20 мм, на широ­ком конце наносят отрезок дуги. С центра восстанавливают перпендикуляр и на дуге делают отметку, а над ней ставят „О\». Затем от этой центральной точки по обе стороны дуги наносят равные деления через каждые 5 мм и на них ставят порядковые числа, начиная с 1.

Рис. 39. Гальванометр.
а—монтаж гальванометра, б—футляр гальванометра.

Теперь остается собрать гальванометр. Гальванометр собирается на доске размером 80X1Ю мм и толщиной в 15— 20 мм. На расстоянии 10 мм от переднего края и на расстоя­нии 30 мм от торцевых сторон делаются отверстия для клемм. Клеммы должны закрепляться с нижней стороны основания так, чтобы они не выдавались из него. В центре основания на таком же расстоянии друг от друга просверливаются шилом два отверстия для выводов катушки, и с нижней стороны основания эти отверстия соединяются канавками с отверсти­ями для клемм. В малые отверстия пропускают концы ка­тушки прибора, и последнюю приклеивают к основанию столярным клеем. Борт катушки должен не доходить на 5 мм
до заднего края основания. Концы катушки соединяются с ввинченными клеммами.
Бумажную шкалу также наклеивают на металлическое основание и затем, смазав клеем с обратной стороны узкую часть шкалы, вставляют последнюю в катушку и приклеи­вают к задней стороне окна.
Ось с якорем и стрелкой вставляются в углубления в стойке и весь этот механизм устанавливается в окне катуш­ки. Установив ось в центре, надо слегка качнуть стрелку. Если она, качнувшись несколько раз, остановится на нуле, можно всю эту систему закрепить в таком положении. Для этого ее вынимают, стойку с внешней стороны намазывают клеем и вставляют на прежнее место. Монтаж гальванометра со срезанной передней стенкой катушки показан на рис. 39 а.
Наш гальванометр может выдержать напряжение до 60 вольт. Большее напряжение не советуем включать—прибор может перегореть. Если же даже при малом напряжении — 8—12 вольт—стрелка прибора будет отклоняться до предела, то нужно увеличить противовес, напаяв еще кусочек олова.
Такой гальванометр можно с успехом использовать в каче­стве вольтметра, если его отрегулировать, как вольтметр, а также и в качестве амперметра.
Для того чтобы предохранить прибор от всяких случай­ных повреждений, его надо закрыть футляром. Футляр изго­товляется из фанеры или толстого картона. Размеры его
указаны на рис. 39 б. В окно футляра желательно вклеить слюду или тонкое стекло.
Градуировка прибора производится так:
Если.мы хотим использовать наш измерительный прибор-гальванометр в качестве вольтметра, то его надо включить параллельно с фабричным вольтметром и через реостат при­соединить к батарее или аккумулятору. Двигая ползун реостата, мы тем самым будем менять в цепи напряжение, стрелки приборов будут отклоняться и, согласно показаниям фабричного вольтметра, на шкале нашего прибора надо делать соответствующие отметки. Включение гальванометра для гра­дуировки под вольтметр показано на рис. 40 а.
Амперметр градуируется таким же способом, только вклю­чать в цепь его надо последовательно и через какую-нибудь нагрузку,— например, группу электролампочек от карманного фонаря. Лампочки должны быть соединены между собой параллельно. Включая различное количество электролампочек в цепь, мы тем самым будем менять силу потребляемого тока, на что нам будет указывать амперметр. Эти показания надо перенести на шкалу самодельного амперметра (см. рис. 40 б).
Вольтметр и амперметр, описанные здесь, могут быть использованы только при измерении постоянного тока.

Рис. 40. Градуировка гальванометра.
а—схема включения гальванометра для градуировки под вольтметр, б- схема включения гальванометра для градуировки под амперметр.

Цель работы : Изучить принцип действия гальванометра, определить его технические характеристики, изучить принцип его работы в режиме измерителя силы тока – амперметра и измерителя напряжения – вольтметра.

Приборы и принадлежности : лабораторная установка с гальванометром, вольтамперметрами (2 шт.), магазинами сопротивлений Р-33 (2 шт.), провода соединительные.

Краткие теоретические сведения

Гальванометрами называют электроизмерительные приборы, предназначенные для измерения малых величин тока, напряжения или количества электричества. В лабораторной практике применяются гальванометры постоянного и переменного тока различных систем с разнообразными электрическими и механическими параметрами. Наиболее распространены гальванометры постоянного тока магнитоэлектрической измерительной системы (стрелочные, со световым указателем, зеркальные), обладающие рядом преимуществ, главное из которых – высокая чувствительность. В приборах этой системы перемещение подвижной части прибора и связанного с ней указателя происходит в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля постоянного магнита и проводника с током. Наиболее распространены магнитоэлектрические гальванометры с подвижной частью в виде рамки, состоящей из витков тонкой медной или алюминиевой проволоки и установленной в кольцевом зазоре постоянного магнита. Измерительная система такого типа схематически изображена на рис. 12.1. В воздушном зазоре между полюсами постоянного магнита 1 и неподвижного цилиндрического сердечника 2 создается радиальное магнитное поле. Подвижная рамка 3, укрепленная на растяжках 4 , может поворачиваться вокруг сердечника 2 в поле магнита. К рамке 3 прикреплена указательная стрелка 5, которая сбалансирована противовесами 7. Электрический ток к обмотке рамки подводится по растяжкам 4. При протекании по обмотке рамки постоянного электрического тока на стороны, находящиеся в радиальном магнитном поле, действуют силы, направленные под прямым углом к вектору индукции в зазоре и образующие вращательный момент М = BSnI . Здесь В  величина индукции в зазоре, S  площадь рамки, n  число витков, I  сила тока в обмотке.

Рис. 12.1

Под действием этого момента рамка и связанный с нею указатель поворачивается на угол , который определяется равенством момента сил, действующих на рамку со стороны магнитного поля и противодействующего момента упругих сил М пр, возникающих в растяжках при их закручивании. В положении равновесия

M = M пр, BSnI = k , (12.1)

где k – коэффициент упругости растяжек. Успокоение колебаний подвижной части происходит благодаря токам, индуцируемым в каркасе рамки и в ее обмотке, если последняя замкнута на какое-либо внешнее сопротивление. В положении равновесия угол отклонения стрелки прибора равен

, (12.2)

Таким образом, угловое отклонение указателя прибора пропорционально току, протекающему в его рамке. Коэффициент пропорциональности S I называется чувствительностью гальванометра по току

, (12.3)

а обратная величина S I называется постоянной по току C I .

или
. (12.4)

Так как угол  часто определяется числом делений шкалы прибора N , то С I , можно назвать ценой деления и измерять в А/дел. При токе I в рамке измерительного механизма на зажимах создается напряжение

где R Г  внутреннее сопротивление гальванометра. Следовательно, по углу поворота подвижной части можно определить напряжение на зажимах гальванометра, т. е. он может быть использован для измерения напряжений. Постоянная по напряжению С U , равна постоянной по току, умноженной на сопротивление рамки гальванометра:

или
(12.6)

C U измеряется в В/дел.

Гальванометры с малым внутренним сопротивлением, предназначенные для измерения тока, называются амперметрами. Амперметры должны обладать малым внутренним сопротивлением, чтобы при их включении общее сопротивление цепи почти не изменялось и не изменялся ток в цепи.

Максимальное значение тока, который можно пропускать по обмотке рамки, как правило, невелико. Для расширения диапазона измерений прибора используют шунты – резисторы, включаемые параллельно. При шунтировании только часть подлежащего измерению тока ответвляется в прибор и непосредственно измеряется.

Благодаря высокой чувствительности гальванометра ток его очень мал, и для ответвления малого тока требуется шунт малого по сравнению с R Г сопротивления. Таким образом, гальванометр с шунтом (амперметр) в целом будет обладать малым сопротивлением. Пусть необходимо измерить ток I 0 , в n раз больший, чем максимально допустимый ток измерительного прибора. Для расчета сопротивления шунта R Ш применим законы Кирхгофа к контуру, изображенному на рис. 12.2:

,
. (12.7)

Используя условие I 0 = nI , находим

. (12.8)

Таким образом, зная внутреннее сопротивление гальванометра R Г, можно рассчитать необходимое сопротивление шунта. Длина шунта, изготовляемого из провода, рассчитывается по формуле

, (12.9)

где S П и   площадь поперечного сечения и удельное сопротивление провода, соответственно.

Рис.12.2 Рис.12.3

Гальванометры, предназначенные для измерения разности потенциалов, называются вольтметрами. Сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления участка цепи, на котором измеряется падение напряжения, чтобы включение вольтметра не вызывало его изменения. Если внутреннее сопротивление гальванометра недостаточно, то последовательно с прибором включается добавочный резистор R Д (рис. 12.3). Включение добавочного резистора R Д производится в тех случаях, когда необходимо расширить пределы измерения прибора. Величина R Д рассчитывается из условия, что ток в цепи прибора не должен превышать максимально допустимого значения I max . Применяя закон Ома для участка цепи, находим

, (12.10)

. (12.11)

Необходимо найти величину добавочного резистора, если мы хотим в n раз увеличить пределы измерения прибора, т.е.

, (12.12)

Где U – максимальное напряжение, измеряемое прибором без дополнительного резистора. Тогда из (12.11) и (12.12) следует, что

.

Таким образом,

, (12.13)

т.е. для расширения предела измерения по напряжению в n раз сопротивление добавочного резистора должно быть в (n 1) раз больше сопротивления гальванометра.

Итак, для расчета сопротивления шунтов R Ш и сопротивления добавочных резисторов R Д нужно знать внутреннее сопротивление гальванометра. Обычными способами измерить его трудно в силу того, что через гальванометр можно пропускать только очень малый ток. Поэтому приходится прибегать к иному способу. Внутреннее сопротивление гальванометра, его чувствительность по току и по напряжению могут быть, в частности, определены с помощью схемы, представленной на рис. 12.4.

Рис.12.4

Здесь G – исследуемый гальванометр. Напряжение с потенциометра R подается на делитель напряжения, образованный резисторами R 2 и R 3 .

Ток на участке АД , согласно закону Ома, равен

, (12.14)

где U – напряжение, снимаемое с потенциометра R и измеряемое вольтметром, а

R АД = R АВ + R 3 . (12.15)

Подставляя выражение (12.15) в формулу (12.14), получим

. (12.16)

Падение напряжения на участке АВ равно

По первому закону Кирхгофа

. (12.18)

Решая совместно уравнения (12.16), (12.17) и (12.18) относительно I (ток в цепи гальванометра), получим

, (12.19)

где N – число делений, на которое отклоняется стрелка гальванометра при токе I .

При R 1 = 0 с помощью переменных резисторов R 2 и R 3 можно установить стрелку гальванометра на крайнее правое оцифрованное деление. Пусть этому положению соответствует число делений шкалы N 1 и ток через гальванометр I 1:

. (12.20)

Легко найти

,

Из формулы (12.19)

UR 2 = C I N (R AB +R 3)(R 1 + R 2 + R Г). (12.21)

а из выражения (12.20)

UR 2 = C I N 1 (R 1 АВ + R 3)(R 2 + R Г). (12.22)

Приравнивая правые части (12.21) и (12.22) друг другу и подставляя R AB и R 1 АВ , получим

(12.23)

Цена деления по току определяется из уравнения (12.20):

(12.24)

Цена деления по напряжению

(12.25)

В некоторых случаях, когда требуется обнаружить и измерить очень малые электрические токи, напряжения и количество электричества, применяется гальванометр, обладающий высокой чувствительностью. Он также указывает на отсутствие напряжения или тока в цепях с различными электрическими параметрами.

Общее устройство и принцип работы

Конструкция простейшего гальванометра, созданного еще в начале 19-го века, включала в себя магнитную стрелку, подвешенную на тонкой нити и помещенную внутрь неподвижной проволочной катушки. При появлении в катушке электрического тока, стрелка начинает отклоняться от своей первоначальной позиции. Если же ток отсутствует, то стрелка будет находиться в одинаковом положении с меридианом этого места. То есть, она показывает нулевую отметку.

Многие гальванометры являются магнитоэлектрическими приборами. В конструкцию стандартного прибора входит постоянный магнит, катушка, установленная между магнитными полюсами, облегченный указатель, соединенный с катушкой и образующий с ней единую ось вращения. Сам указатель фиксируется на нулевой отметке с помощью пружины при отсутствии в катушке электрического тока.

Практически каждый гальванометр имеет один и тот же принцип работы.

• При прохождении электрического тока по катушке, вокруг нее создается магнитное поле. Оно взаимодействует с магнитным полем, которое создает постоянный магнит.
• В результате, образуется сила, вызывающая поворот или вращение катушки.
• Преодолев сопротивление пружины, она стремится занять свое место между полюсами постоянного магнита.
• Одновременно с перемещением катушки, происходит и перемещение указателя.
• Расстояние, на которое они переместились, составляет пропорцию с количеством тока, протекающим через катушку.

Все движения указателя отображаются на шкале, откалиброванной в нужных единицах измерения. Помимо единиц электрического тока, на нее могут быть нанесены и другие величины, например, милливольты. Нередко шкала гальванометра размечается довольно условно.

Характеристики и особенности конструкции

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

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

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

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

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

Виды гальванометров

Несмотря на общий принцип работы, данные измерительные устройства отличаются между собой в соответствии с особенностями конструкции каждого из них. Например, магнитоэлектрический гальванометр выдает показания с помощью специальной электропроводящей рамки, закрепленной на оси и помещенной в поле действия постоянного магнита.

В нулевом положении ее удерживает специальная пружина. Когда по рамке протекает ток, происходит ее отклонение на определенный угол. На величину угла оказывает влияние не только сила тока, но и жесткость пружины, а также индукция магнитного поля. Показав высокую чувствительность, эти приборы позволяют получить максимально точные результаты.

Данные измерительные устройства бывают еще нескольких видов:

• Электромагнитные. Отличаются простой конструкцией, в состав которой входит неподвижная катушка и подвижный сердечник или магнит, втягивающийся в катушку или поворачивающийся при наличии электрического тока. Недостатком считается нелинейная шкала и затруднения при ее градуировке.
• Тангенциальные. В конструкции имеется компас, с помощью которого сравниваются магнитные поля тока и Земли. В катушке применяется медная изолированная проволока, намотанная на рамку из диэлектрического материала. Обмотка и стрелка компаса в плоскости должны совпадать между собой. Под действием электрического тока на оси катушки создается магнитное поле, перпендикулярное магнитному полю Земли. Угол отклонения стрелки получается равным тангенсу отношения обоих магнитных полей.
• Зеркальные. Считаются наиболее точными и быстродействующими устройствами. Показания снимаются с помощью небольшого зеркальца и отраженного от него светового луча.
• Тепловые. Представляют собой проводник и рычажную систему. Длина проводника увеличивается, когда по нему проходит ток. Рычажная система преобразует удлинение проводника в положение стрелки на шкале прибора.

Гальванометр представляет собой высокочувствительный электроизмерительный прибор, назначение которого – измерение силы постоянного электрического тока очень небольшой величины. В отличие от микроамперметра, также измеряющего довольно малые токи, шкалу гальванометра, кроме единиц электрического тока, нередко градуируют и в других электрических величинах. Например, это могут быть милливольты или что-то другое. Часто разметка шкалы гальванометра может быть выполнена весьма условно.

Устройство и принцип действия

Основными элементами конструкции гальванометров, используемых в настоящее время, являются:

● постоянный магнит;

● поворачивающаяся катушка (обмотка);

● указательная стрелка;

● возвратная пружина.

В магнитное поле постоянного магнита помещается обмотка с прикреплённой на ней указательной стрелкой. В исходном состоянии обмотка со стрелкой находятся в нулевом положении благодаря удерживающей пружине.

При прохождении постоянного тока через обмотку, в ней появляется магнитное поле, которое начинает взаимодействовать с полем магнита. В результате этого взаимодействия катушка вместе со стрелкой отклоняется, тем самым сигнализируя о протекании электрического тока.

При исчезновении электрического тока пропадает магнитное поле катушки и под действием возвратной пружины катушка со стрелкой возвращаются в начальное положение. Таким образом, становится визуально понятно, что электрический ток в цепи отсутствует.

Гальванометры очень чувствительны. Их значение чувствительности может быть равным, например, ста микроамперам. Для измерения электрического тока несколько большей величины, необходимо использовать специальные шунты.

Гальванометры бывают разных видов.

Виды гальванометров

Магнитоэлектрический

Для работы данного гальванометра используется специальная электропроводящая рамка, которая закрепляется на специальной оси, находящейся в поле постоянного магнита. Изначально рамка находится в нулевом положении за счёт удерживающей её пружины. В случае протекания электрического тока по рамке, она отклоняется на определённый угол. Значение угла отклонения зависит от величины протекающего тока, от индукции магнитного поля и от жёсткости удерживающей пружины.

Величину протекающего тока можно определить по положению стрелки, закреплённой на проводящей рамке. Магнитоэлектрические гальванометры отличаются от других типов гальванометров высокой чувствительностью.

Электромагнитный

Конструкция гальванометра электромагнитного типа достаточно простая. Гальванометр состоит из неподвижной катушки и подвижного магнита или сердечника, который или поворачивается, или втягивается в катушку во время прохождения через неё электрического тока. Одним из минусов электромагнитных гальванометров является нелинейность их шкалы и, соответственно, трудность правильной градуировки. Но, несмотря на это, данные гальванометры используются как амперметры переменного тока.

Тангенциальный

Особенностью конструкции тангенциального гальванометра является компас. Он необходим для того, чтобы сравнивать магнитное поле электрического тока с магнитным полем планеты Земля. В работе прибора присутствует тангенциальный закон магнетизма, отсюда и название.

Катушка гальванометра выполнена из медной проволоки с изоляцией. Проволока наматывается на специальную рамку, материал которой имеет немагнитные свойства. Рамка располагается вертикально и при работе проворачивается вокруг оси, которая проходит через центр рамки. Компас гальванометра располагается в горизонтальном положении и одновременно в центре шкалы, имеющей круговую форму. На указательную стрелку компаса прикрепляется специальный указатель из алюминия.

Работа гальванометра происходит следующим образом. Устройство располагают так, чтобы стрелка компаса и плоскость обмотки совпали друг с другом. Далее через обмотку пропускают электрический ток, создающий магнитное поле на оси катушки. Искусственно созданное магнитное поле является перпендикулярным магнитному полю Земли. Указательная стрелка гальванометра реагирует как на искусственно созданное магнитное поле, так и на естественное магнитное поле Земли и таким образом отклоняется на определённый угол. Угол отклонения стрелки равен тангенсу отношения двух магнитных полей.

Электродинамический

У электродинамического гальванометра и подвижными, и статическими элементами являются катушки.

Зеркальный

Гальванометр зеркального типа один из наиболее точных и наиболее быстрых гальванометров. Для снятия показаний используется зеркальце небольшого размера и отражаемый от него световой луч. В своё время данные гальванометры имели широкое распространение. Но и сегодня они также используются, например, для перемещения лазерных лучей в различных шоу-программах.

Вибрационный

Разновидностью зеркального гальванометра являются гальванометры вибрационные, обладающие малыми габаритами. Настройка таких гальванометров выполняется регулировкой натяжения пружины. Вибрационные гальванометры используют в тех случаях, когда необходимо измерять очень малые значения электрических величин.

Тепловой

Данное устройство состоит из проводника и рычажной системы. При прохождении тока через проводник, его длина увеличивается. За счёт рычажной системы происходит преобразование удлинения проводника в отклонение указательной стрелки гальванометра.

Апериодический

Суть работы заключается в том, что каждое отклонение указателя заканчивается его возвращением в положение равновесия.

Баллистический

Для измерения величины одиночного электрического импульса используют баллистические гальванометры, главная особенность которых в особенности подвижной части. Дело в том, что подвижные элементы обладают увеличенным моментом инерции.

В настоящее время вместо гальванометров практически везде применяются современные цифровые устройства измерения электрических величин.

Гальванометр, электромагнитный прибор, служащий для измерения силы электрического тока. Хронологически первый принцип устройства гальванометр состоит в отклоняющем действии электрического тока на подвижную магнитную стрелку.

Пусть электрический ток проходит в направлении ABCDF (рис. 1) по проволоке, изогнутой в форме прямоугольника, плоскость которого поставлена в магнитном меридиане; в таком случае магнитная стрелка аb, которая при отсутствии тока оставалась бы в плоскости проволоки, отклонится северным полюсом a к западу. Чем сильнее ток, тем больше отклонение. Этот принцип устройства гальванометра был указан в 1820 г. Ампером; ему же принадлежит и термин гальванометр

Отклоняющее действие тока увеличивается, если вместо одного проволочного прямоугольника ABCDF взять несколько оборотов (изолированной) проволоки, свернутых в виде катушки; такое приспособление, устроенное впервые Швейгером, носит название мультипликатора .

На рис. 2 изображен гальванометр Нобили , построенный в 1826 г.; этот прибор можно найти и в настоящее время во всяком физическом кабинете. Здесь применена так называемая астатическая (см.) система стрелок (рис. 3); она подвешена на коконовой нити L, которая при помощи винта К может быть (без кручения) подтянута кверху или опущена. Нижняя стрелка n′s, астатической системы помещается внутри мультипликатора А (с левой стороны его видна проволочная обмотка, навитая на особой деревянной рамке); верхняя стрелка sn находится снаружи, выше медного круга с делениями S, и бывает снабжена указателем для отсчитывания делений. Стеклянный колпак РР′ защищает аппарат от воздушных течений. СС суть т. н. борны , т. е. точки, соединение которых с концами гальванической цепи вводит мультипликатор в эту цепь.

С помощью гальванометр Нобили можно отсчитывать отклонения стрелки с точностью примерно до полуградуса. Гораздо большая (в сотни раз) точность достигается в тех гальванометрах, где применен так называемый зеркальный отсчет. Этот метод, изобретенный Погендорфом, объясняется на рис. 4.

Здесь s есть маленькое и легкое зеркальце, прикрепленное к нити, на которой висит магнитная стрелка гальванометра; f - зрительная труба, направленная к зеркальцу и находящаяся от него на расстоянии до нескольких метров; с - разделенная шкала. Плоскость чертежа, в которой находятся все эти предметы, горизонтальна. Наблюдатель, смотрящий в трубу f, видит изображение шкалы в зеркальце; данное положение магнитной стрелки характеризуется тем делением шкалы, которое совпадает с вертикальной нитью нитяного креста зрительной трубы. Но стоит зеркальцу s на тысячную долю градуса повернуться около вертикальной оси, - и наблюдатель видит, что на вертикальной нити приходится уже другое деление шкалы. Этот способ применен, например, в гальванометре Видемана , простейшая форма которого изображена на рис. 5.

Здесь роль магнитной стрелки, а вместе с тем и роль зеркальца, играет отполированный стальной кружок NS, намагниченный по направлению горизонтального диаметра и подвешенный на коконовой нити внутри толстостенной медной муфты А; стеклянные окошечки в муфте предохраняют его от действия воздушных течений. На муфту А могут быть надвинуты катушки изолированной проволоки ВВ, по которым пропускается измеряемый ток. Прибор устанавливается так, чтобы магнитная ось магнита NS находилась в магнитном меридиане и была перпендикулярна к оси муфты и катушек. После того как ток пропущен чрез катушки, магнит NS приходит в колебание, но скоро (спустя 4-6 секунд) успокаивается, потому что в муфте А вследствие его движений развиваются индукционные токи, которые своим электродинамическим действием по закону Ленца противодействуют движениям магнита; так. обр., муфта А служит т. н. успокоителем или демпфером. Магнитное действие земли может быть ослаблено посредством т. н. компенсирующего магнита, который, находясь под доской, поддерживающей части прибора, может быть установлен так, чтобы он в месте, занимаемом стрелкой NS, производил почти однородное поле, противоположное земному полю. Этим увеличивается чувствительность прибора; обратной манипуляцией она может быть уменьшена.

В гальванометре Томсона (Кельвина) употреблена астатическая магнитная система, причем каждая из двух стрелок составлена из нескольких, маленьких (не более сантиметра в длину) и тонких намагниченных стальных полосок, наклеенных на слюдяной листочек (рис. 6). К верхнему листочку приклеено слегка вогнутое зеркальце той же величины. Успокоение колебаний подвижной системы здесь не электрическое, как в гальванометре Видемана, а воздушное: оно достигается при помощи тонкой слюдяной пластинки, прикрепленной к подвижной системе и испытывающей сопротивление воздуха во время качаний. В хорошо построенных приборах вес стрелок и зеркальца не превышает 1 / 20 грамма: вследствие незначительной инерции колеблющейся системы, продолжительность качания делается весьма малой. Общий вид прибора дан на рис. 7.

Обмотка состоит из двух пар катушек (одна пара - вверху, другая - внизу); обыкновенно она делается из очень тонкой проволоки и имеете большое сопротивление - до 10 000 Ом. Над прибором помещается магнит, который, находясь на неодинаковых расстояниях от обеих стрелок, производит на их систему некоторое направляющее действие. Он может быт поднят или опущен (при этом изменяется чувствительность прибора), а также может быть повернут около вертикальной оси (это позволяет установить подвижную систему в «нулевое» положение). Томсон употребил в своем приборе объективный способ зеркального отсчета, имеющий то преимущество, что он гораздо менее утомляет наблюдателя, чем способ телескопический. Лучи источника света (рис. 8), пройдя через узкую щель и чрез выпуклую линзу, падают на зеркальце прибора и, отразившись от него, дают действительное изображение щели (так называемый «световой зайчик») на шкале, разделенной на миллиметры; понятно, что при отклонении стрелки прибора «зайчик» перемещается. Чувствительность гальванометра Томсона весьма велика: она может достигнуть 10 -11 ампера (это значит, что при токе такой силы, проходящем чрез обмотку, зайчик перемещается на 1 миллиметр, при расстоянии шкалы в 1 метр).

Правая часть рис. 7 изображает так называемый шунт (shunt) - приспособление, дающее возможность менять чувствительность гальванометра в весьма широких пределах. Шунт представляет собой ответвление, проложенное между борнами гальванометра и позволяющее только определенной доле (например, 1 / 10 , или 1 / 100 , или 1 / 1000) измеряемого тока пройти чрез обмотку гальванометра. Панцирный гальванометр Дюбуа и Рубенса изображен на рис. 9.

Здесь магнитная стрелка и обмотка могут быть окружены двумя парами концентрических железных полушарий (одно из них на рисунке изображено снятым); кроме того, прибор может быть помещен в железный цилиндр. Цель этого приспособления состоит в том, чтобы предохранить магнитную систему гальванометра от возмущающего действия, производимого магнитными полями различных электротехнических установок, в частности - трамвайных проводов. Для более полной компенсации земного поля, к прибору присоединены две пары магнитов (одна пара видна вверху, другая - в промежутке между панцирями). Подвижная система подвешивается на кварцевой нити; эти нити имеют то преимущество пред шелковыми, что они могут быть сделаны чрезвычайно тонкими (до 1 / 1000 миллиметра), отчего уменьшается оказываемое ими сопротивление кручению и увеличивается чувствительность прибора.

Иной, сравнительно с предыдущими образцами, тип гальванометров представляют гальванометры с вращающейся катушкой . Из них опишем гальванометр Депре и д"Арсонваля (рис. 10).

Прямоугольная катушка, образованная значительным числом оборотов тонкой проволоки, может вращаться около вертикальной оси, составленной двумя проволоками; через одну из них исследуемый ток входит в катушку, через другую выходит. Катушка эта помещается в магнитном поле, создаваемом полюсами подковообразного магнита и цилиндром из мягкого железа, который помещен в междуполюсном пространстве. Когда по катушке проходит ток, то сила взаимодействия между током и магнитом стремится поставить плоскость катушки перпендикулярно к направлению силовых линий магнита; действие этой силы уравновешивается силой кручения проволоки подвеса. Успокоение (производимое индуктивными токами) очень сильно, так что колебаний подвижной системы может вовсе не быть (такое свойство гальванометра называется апериодичностью ). Отклонения отсчитываются с помощью зеркальца, прикрепленного к вращающейся катушке.

Гальванометры такого устройства имеют широкое применение в технике, благодаря своей нечувствительности к посторонним магнитным силам: ими можно пользоваться при измерениях вблизи динамо-машин, где гальванометры с магнитной стрелкой неприменимы. Зато приборы этого рода обладают меньшей чувствительностью, чем раньше описанные.

Перечисленные выше приборы изготовляются во множестве видоизменений, отличающихся теми или другими деталями устройства. Кроме того укажем еще ряд приборов, замечательных в каком-либо отношении. По своеобразию устройства интересен струнный гальванометр (впервые построенный Адером в 1897 г.): тончайшая металлическая (или посеребренная кварцевая) нить натягивается вертикально между полюсами сильного магнита или электромагнита, помещенного горизонтально. Если по нити пропустить ток, то электромагнитная сила вызывает прогибание ее; этот прогиб измеряется помощью микроскопа. Прибор обладает высокой чувствительностью и имеет то преимущество пред другими гальванометрами, что его нить, благодаря ничтожности ее инерции, весьма быстро реагирует на всякое изменение тока. Поэтому струнный гальванометр часто употребляется (например, в физиологических опытах) в соединении с регистрирующим аппаратом, который фотографическим путем отмечает положение маленького участка нити на быстро движущейся ленте. Видоизменения струнного гальванометра были построены физиологом Эйнтховеном и конструктором Эдельманом; прибор последнего изображен на рис. 11.

Так называемая тангенс-буссоль или тангенс-гальванометр (впервые построен Пулье в 1837 г.) изображается на рис. 12.

Этот прибор в простейшей форме состоит из медного кольца О (иногда вместо одного кольца берется рама, на которую намотано несколько оборотов проволоки), вводимого в цепь при помощи зажимов d и b. В центре кольца находится маленькая магнитная стрелка, снабженная указателями для отсчета делений на разделенном горизонтальном круге. Плоскость кольца устанавливается в магнитном меридиане; таким образом, при отсутствии тока стрелка располагается в плоскости кольца. Теория показывает, что тангенс угла отклонения стрелки от этого положения пропорционален силе тока, проходящего по кольцу; тангенс-буссоль дает возможность производить прямые абсолютные измерения силы тока, тогда как все предыдущие приборы обыкновенно употребляются лишь для сравнительных измерений.

Баллистическим гальванометром называется такой, у которого период колебаний подвижной системы настолько велик, что за время прохождения через его обмотку мгновенного (разрядного, индукционного) тока эта система не успевает заметно сместиться. Теория показывает, что при этих условиях величина первого отклонения подвижной системы может служить мерой протекшего через гальванометр количества электричества. В качестве баллистических часто применяются гальванометры типа Депре-д"Арсонваля.

В дифференциальном гальванометре обмотка состоит из двух равных катушек, по которым могут быть пропущены два различных тока так, чтобы они отклоняли стрелку в противоположные стороны. Если при этом стрелка остается в том же положении, как и в отсутствии токов, то, значит, пропущенные токи равны друг другу. Таким образом, дифференциальный гальванометр может служить для констатирования равенства сил двух токов. В качестве дифференциального можно употреблять описанные выше гальванометры Томсона и Видемана.

Универсальный гальванометр Сименса (рис. 13) представляет сочетание гальванометра с Уитстоновым мостом; с помощью этого прибора можно измерять не только силы токов, но также электродвижущие силы и сопротивления.

Близко к гальванометрам стоят по своему назначению (а иногда и по устройству) амперметры , или амметры , и вольтметры , употребляемые, главным образом, для технических целей. Амперметром называется прибор, обладающий указателем и шкалой, градуированной в амперах (или долях ампера), и позволяющий непосредственно измерять силу тока в цепи; вольтметр, имея шкалу, градуированную в вольтах, употребляется для измерения электродвижущих сил или разностей потенциала. Представим себе, что гальванометр А с очень малым сопротивлением (как, например, у тангенс-буссоли) включается в гальваническую цепь, питаемую источником В (рис. 14); тогда включение гальванометра почти не изменит ни сопротивления цепи, ни силы тока, и следовательно показание, даваемое гальванометром, будет определяться исключительно силой тока в цепи. Придав такому гальванометру шкалу и указатель, получим амперметр. С другой стороны, представим себе, что гальванометр V с очень большим сопротивлением (или вообще какой-нибудь гальванометр с присоединенным к нему последовательно большим сопротивлением R, рис. 15) присоединяется к точкам а и b цепи. Тогда в ответвление aRVb пойдет лишь ничтожная доля всего тока, и распределение потенциала в цепи BabB почти не изменится; отклонение гальванометра V будет определяться разностью потенциалов точек а и b. Снабдив такой гальванометр указателем и соответственно проградуированной шкалой, получим вольтметр.

Наиболее употребительны амперметры и вольтметры трех типов: 1) с постоянным магнитом и подвижной катушкой; 2) с подвижным куском мягкого железа; 3) с тепловым расширением проволоки. Инструменты первого типа по устройству аналогичны описанному выше гальванометру Депре и д"Арсонваля; внутреннее устройство такого инструмента показано на рис. 16 (причем один из полюсных наконечников магнита отнят, чтобы можно было видеть катушку). Направляющее действие производится на катушку двумя часовыми пружинками; они же служат для подводки тока.

Инструменты второго типа имеют весьма разнообразное устройство. В одних (как на рис. 17) вертикальный железный стержень (с которым, при помощи рычажной передачи, соединен указатель) висит на пружине над вертикальной катушкой и втягивается в последнюю более или менее, смотря по силе проходящего чрез катушку тока; в других (рис. 18) овальная железная пластинка I, могущая вращаться около эксцентрической оси S, втягивается в полость катушки С; Р есть указатель, у которого на верхнем конце находится дуга W с поршнем D; при движении в трубке АВ поршень испытывает сопротивление воздуха, демпфирующее колебания подвижной системы.

Инструменты третьего типа основаны на совершенно ином принципе, чем все ранее описанные: а именно - на том, что проволока, по которой проходит ток, нагревается, и вследствие этого удлиняется. Внутреннее устройство прибора этой категории показано на рис. 19.

Упругость часовой пружины r стремится двигать указатель вправо по шкале; этому препятствует натяжение проволочного многоугольника edca. Но если по платино-серебряной (или платино-иридиевой) проволочке ab пропущен ток, то она удлиняется, и указатель, соответственно этому удлинению, перемещается. Приборы этого рода имеют то преимущество, что показания их совершенно не зависят от внешнего магнитного поля и от его возмущений.

Инструменты последних двух типов дают отклонение указателя всегда в одну и ту же сторону, независимо от направления тока; они пригодны не только для постоянных, но и для переменных токов.

Амперметры более высокой чувствительности обыкновенно снабжаются шунтами; пользуясь соответственным шунтом или не пользуясь никаким, мы можем с помощью одного и того же прибора измерять токи, порядок которых соответственно был бы равен, например, 1 амперу, 1/10, 1/100 и 1/1000 ампера.