Гальванометр: описание, принцип работы и разновидности

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.

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.

История изобретения гальванометра

История создания гальванометра тесно связана с открытием понятия «электромагнитная индукция» и работой целой плеяды великих учёных мира, которые создавали новые варианты прибора и усовершенствовали его. Но о трёх эпохальных личностях в мире физики и гальванометров необходимо сказать отдельно:

• Х.К. Эрстед;
• Л. Гальвани;
• М. Фарадей.

Датский учёный Ханс Кристиан Эрстед 15 февраля 1820 года, проводя эксперимент на лекции по электричеству, пропускал электрический ток через проводник, который лежал сверху корабельного компаса. В результате в момент включения цепи стрелка компаса отклонялась от своего начального положения. Проведя несколько аналогичных опытов с другими металлами и разным значением силы тока, Эрстед фактически доказал существование магнитного поля и электромагнитной индукции. А сам эксперимент (проводник, магнитная стрелка и источник питания) был заложен в основу первого гальванометра.

Луиджи Гальвани исследовал электричество, проходящее в живых и физически мёртвых организмах. Впоследствии на основе изучения «возвратного» удара были заложены условия для возникновения «гальванизма» — явления генерирования мышечных сокращений во время пропускания электрического тока. Это дало возможность создать и исследовать первые электрические индукции.

Майкл Фарадей в далёком 1831 году в конце августа (29), будучи в своей лаборатории, исследовал протекание электрического тока в проводнике и экспериментально доказал существование электромагнитной индукции, используя гальванометр для обнаружения этого явления. Которое перевернуло всю физику и фундаментальные законы природы, а именно наличие электромагнитного поля и индукции доказало существование нового вида материи.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомьтесь с установкой и включите
ее в сеть (220 В).

2. Ручкой на установке поместите
измерительную катушку L2 у одного из
концов соленоида, определив ее положение
a (расстояние от края
соленоида до точки, в которой определяется
значение магнитной индукции) с помощью
указателя на шкале.

3. Нажмите на кнопку S, измерьте
отклонение светового зайчика 
по шкале гальванометра. Не отпуская
кнопку, определите силу тока в соленоиде
по миллиамперметру.

4. Такие же измерения а и 
проделайте для других положений катушки
L2, перемещая ее каждый раз на 1 см вдоль
оси соленоида до упора. Занесите данные
в таблицу, после чего получите подпись
преподавателя о завершении эксперимента.

5. По формуле (5) найдите экспериментальные
значения магнитной индукции,
воспользовавшись значением k,
указанным на установке.

6. Для тех же значений а рассчитайте
по формулам (3) и (4) теоретические значения
магнитной индукции в соленоиде.

7. Данные вычислений занести в таблицу.

k = …….; I
= …….

8. Построить графики B_эксп = f₁(a)
и B_теор = f₂(a) по
результатам, полученным из опыта и при
теоретическом расчете, на одних
координатных осях.

Характеристики и устройство

Омметр включает в себя:

• стрелочный гальванометр;
• источник стабилизированного питания (в простейшем случае – аккумулятор);
• магазин сопротивлений, переключаемый на нужное с помощью многопозиционного переключателя;
• шунт (для измерения сопротивления менее 1 Ом);
• переменный резистор, настраивающий «ноль» перед началом измерений;
• разъёмы для коннекторов, к которым присоединены провода с шупами на другом конце;
• выключатель питания батарейки во избежание случайного соприкасания щупов и утечки её заряда.

Калибровочных резисторов может быть два – один подстраивает ноль грубо (быстро), другой – в десятки раз более точно. Калибровка нужна, так как со временем аккумулятор разряжается, понижая своё напряжение на выходе под нагрузкой (замкнутые накоротко или измеряемые эквивалентным сопротивлением щупы). Она занимает 1-3 секунды. Вся сборка помещена в ударопрочный корпус. Для удобства снятия показаний гальванометр чаще всего монтируют в корпусе в «лежачем» или «полулежащем» положении.

Важнейшими характеристиками омметра считаются:

• точность (класс точности);
• напряжение (ЭДС) питания батарейки или аккумулятора;
• габариты и вес (носить с собой омметр, не помещающийся в кармане, неудобно);
• ударо- и виброзащищённость (предусмотрены амортизирующие вставки из резины).

Из последнего следует, что бросать и трясти прибор нельзя. Стрелочный гальваномер имеет измерительную головку, уязвимую к виброударным воздействиям. При сильном ударе у стрелки может сломаться противовес – балансир, без которого её конец задевал бы за шкалу. В ряде случаев повреждается и возвратная пружина – плоская упругая спираль, возвращающая стрелку на нулевое деление после размыкания замеряющей цепи.

Закон Био-Савара-Лапласа

Рис.4

Индукция магнитного поля
,
созданного длинным проводом произвольной
конфигурации, по которому течет ток I,
равна векторной сумме индукций магнитных
полей
,
созданных каждым элементом длины

этого провода. Закон Био-Савара-Лапласа
дает формулу: ,

где

— элемент тока,

— радиус-вектор от этого элемента до
точки, в которой находится магнитное
поле. Как видно из формулы, поле
перпендикулярно плоскости, в которой
лежат радиус-вектор и элемент тока.
Модуль индукции, создаваемой элементом
тока, находится по формуле ,

где  — угол между
радиусом-вектором и элементом тока.

При выводе индукции магнитного поля в
центре кругового витка необходимо
учесть, что угол 
=90 (радиус всегда
перпендикулярен касательной к окружности),
а
(радиус
витка). Эти значения будут одинаковы
для всех элементов тока витков.

Что это такое?

По сути, любой гальванометр представляет собой прибор, разработанный для измерения параметров электрических сетей. С учётом характеристик данных устройств следует отметить, что речь идёт о минимальных значениях количества электричества, силы тока и сопротивления. К примеру, для определения наличия и минимальных показателей I на конкретных участках цепи используют гальванометры с повышенной чувствительностью.

Впервые особенности отклонения магнитной стрелки под воздействием электрического тока в проводнике описал Ганс Эрстед ещё в 1820 году. В то время подобное явление рассматривалось в качестве способа измерения тока. Говоря об изобретателе гальванометра, необходимо отметить, что первым упомянул подобный прибор Иоганн Швейгер. Это произошло 16 сентября 1820 года и связано с университетом Галле. Сам же термин появился только в 1836-м и произошёл от фамилии учёного Луиджи Гальвани.

Изначально действие устройства основывалось на силе магнитного поля Земли. Подобные образцы измерительного оборудования назвали тангенциальными гальванометрами. Перед использованием их требовалось сориентировать в пространстве. Позже на свет появился первый астатический прибор, создатели которого использовали противоположно направленные магниты. Подобный подход позволил исключить фактор воздействия упомянутого магнитного поля планеты.

Современные устройства на схемах отмечаются в соответствии с действующим ГОСТом на схеме. Гальванометр имеет обозначение в виде стрелки, направленной вверх и расположенной внутри круга.

Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, эти приборы имеют ряд важных особенностей.

• Один из главных параметров – это постоянная, значение которой определяет расстояние между зеркалом и шкалой и высчитывается с учётом стандартного отрезка длиной 1 метр. В ситуациях с переносными устройствами эта величина является ценой одного деления шкалы. Для стационарных моделей она составляет 10–11 А/м/мм, а для мобильных – 10-8 или же 10-9 А/дел. В обоих случаях допустима 10-процентная погрешность в обе стороны.
• Невозвращение стрелки к нулевой отметке в процессе её перемещения от крайней точки шкалы, то есть так называемое постоянство нуля. Этот показатель в числовом выражении наносится на шкалу в виде ромбообразного символа.
• Наличие такого конструктивного элемента, как магнитный шунт. Его положение меняется поворотом специальной ручки, что, в свою очередь, приводит к изменению постоянной гальванометра и показателя магнитной индукции в зазоре. С учётом данного момента техническая документация, включая паспорт измерительного прибора, содержит значения постоянной при двух положениях магнитного шунта, то есть во введённом и выведенном состоянии.
• Присутствие корректора, с помощью которого осуществляется перемещение стрелки между двумя крайними положениями.
• Наличие арретира, который представляет собой неотъемлемую часть всех современных приборов, имеющих подвесы. Этот элемент позволяет надёжно зафиксировать подвижную часть и тем самым минимизировать риск повреждения прибора в процессе его транспортировки.
• Возможность установки электростатического экранирования для обеспечения максимально эффективной защиты устройства от I утечек.

Определённые особенности конструкции гальванометров связаны именно с наличием упомянутой подвижной части. В частности, регулировка успокоения, пропорционального её колебаниям, осуществляется путём подборки внешнего сопротивления (R).

На практике в подавляющем большинстве случаев наружное сопротивление устанавливают с максимальным приближением к критическому показателю. Это, в свою очередь, исключает риск возникновения колебаний стрелки (указателя) в пределах положения равновесия.

Основные характеристики гальванометров

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

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

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

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.

Тангенс-гальванометр

Делителем напряжения Р на обкладки конденсатора подается такой потенциал U, при котором в обмотке тангенс-гальванометра устанавливается ток, измеряемый отбросом, равным 80 — 5 — 100 делениям шкалы. Соответствующее показание U вольтметра фиксируется.
 

С использованием стрелки компаса для измерения силы магнитного поля в единицах поля Земли ( горизонтальная компонента) вы, может быть, знакомы по тангенс-гальванометру. Подобный способ измерения силы магнитного поля хорош только тогда, когда рядом нет больших масс магнитного материала вроде железа. Если же это условие не соблюдено, то ток в круглом витке намагнитит железо, что создаст побочное поле и заставит стрелку занять неправильное положение.
 

Пластинка 8 и шпильки 15 и 16, будучи включены при помощи соответствующих клемм в цепь конденсатора, осуществляют то его зарядку от источника напряжения, то разрядку через обмотку тангенс-гальванометра.
 

Тангенс-гальванометр представляет собой катушку 11 ( черт. Диаметр витка составляет 280 мм. Этот магнитик имеет квадратное сечение 8X8 мм2 и длину 22 мм.
 

На этом же принципе построен так называемый тангенс-гальванометр.
 

Катушка значительных размеров укрепляется на оси таким образом, чтобы она могла вращаться вокруг вертикального диаметра. Провод этой катушки соединен с проводом тангенс-гальванометра и образует с ним единый контур. Пусть сопротивление этого контура равно R и пусть большая катушка, ориентированная своим положительным торцом перпендикулярно магнитному меридиану, быстро повернулась на полоборота.
 

В 1837 г. Пулье построил синус-гальванометр и тангенс-гальванометр; последний прибор был усовершенствован чл.
 

Это свойство магнитной стрелки используется в тангенс-гальванометре для определения Яз. Величина радиуса катушки и число витков указаны на тангенс-гальванометре.
 

Исследование Джоуля о теплоте, выделяемой токами, было опубли — ковано в 1841 г. и основывалось на очень небольшом числе измерений: так, для доказательства пропорциональности количества выделенной теплоты сопротивлению Джоуль производит всего четыре отдельных измерения, а для доказательства прапор циональ-ности этого количества теплоты квадрату тока — пять измерений. Были некоторые сомнения в точности самих измерений, произведенных Джоулем при помощи тангенс-гальванометра в пределах углов отклонения более 40; кроме того, акад. Джоуля, касавшихся теплоты растворения, которую необходимо было учесть. Результаты работы Ленца были доложены Петербургской Академии наук в конце 1842 г. и описаны в работе О законах выделения тепла гальваническим током. Ленц писал: Исследования, которые я собираюсь доложить Академии, занимают меня уже в течение нескольких лет; они были начаты задолго до появления сообщения Джоуля ( Б Philosophical Magazine в октябре 1841 г.), и я полагал, что их следует продолжать, несмотря на то, что мои результаты в основном совпадают с результатами Джоуля, так как опыты последнего могут встретить некоторые обоснованные возражения, как это уже было показано нашим коллегой, г. академиком Гессом. В 1843 г. Ленц делает второй доклад Академии наук по этому вопросу, опубликованный под названием Выделение тепла в проводнике. Оба эти труда Ленца показывают, что автор проделал громадную работу по подготовке самих измерений, изучению аппаратуры и приборов. Ленц пользовался при этих исследованиях приборами, изобретенными в России, а именно гальванометром проф.
 

Что касается единиц тока и количества электричества, то они вытекали из предшествующих и составляли 10 1 соответствующей единицы CGSM. В это время единицы тока и количества электричества меньше интересовали ученых, так как на практике пользовались небольшими токами, которые можно было надежно измерять синус-гальванометром, тангенс-гальванометром или электродинамометром ( Вебера) и обозначать их числом делений шкалы соответствующего прибора.
 

К примеру, каждая экзаменационная комиссия является частным, предприятием и не подчиняется школьному совету. Как и всякая другая компания, экзаменационная комиссия больше всего боится потерять клиентов. Попробуйте добавить одну-единственную тему ( скажем, магнитные цепи) или исключить из программы тангенс-гальванометр, и 59 школьных учителей физики из 60 выступят с угрозой обратиться к услугам другой экзаменационной комиссии. Причину такого демарша отыскать нетрудно: с какой стати школьный учитель должен стремиться, идти в ногу с современной наукой, когда у него и без того работы по горло, а жалованье — одно из самых низких в стране.
 

Как пользоваться?

Измерению сопротивления резистора предшествуют две причины.

• Вы не знаете цветомаркировку современных резисторов. У вас нет под рукой таблицы полосок, по которым считается сопротивление.
• Резистор старый – с него стёрлись, облупились какие-либо опознавательные знаки. Он много раз перепаивался либо хранился в условиях агрессивной к краске среды.

Разомкнутые щупы – это разрыв питания цепи прибора, в который включается резистор с измеряемым сопротивлением. Если речь идёт о сопротивлении от десятков кОм и выше – касаться руками выводов резистора (и контактов щупов) нельзя. Кожа человека хоть и имеет достаточно большое сопротивление, не изолирует внутренние органы и ткани человека, содержащие электролиты (соли, кислоты), в разной мере проводящие ток. Это вносит большую погрешность в измеряемое сопротивление. Если руки смочить, то сопротивление тела человека станет ещё меньше.

Напряжение батарейки (или аккумулятора), установленной в омметре, суммируется с напряжением, падающим на измеряемом резисторе работающего устройства – по закону сложения напряжений при последовательном соединении элементов. В результате прибор «шкалит» в ту или иную сторону, и вменяемого замера вы не получите. При напряжении в десятки вольт, гасимом на замеряемом сопротивлении, стрелка может быть с силой отброшена в любой из концов шкалы. Это может сломать как саму стрелку, так и её пружину с балансиром.

Если схема устройства сложна – в ней присутствуют электронные компоненты, содержащие диоды, транзисторы и микросхемы, то необходимо выпаять резистор, годность которого проверяется. Дело в том, что полупроводники, из которых выполнены все эти элементы, при пропускании тока в одну из сторон также имеют конечное сопротивление до десятков Ом. Руководствуйтесь принципиальной схемой ремонтируемого устройства. Здесь требуются хорошие знания по физике, электро- и схемотехнике, без которых вас не допустят к ремонту электроники.

В цифровых омметрах (мультиметрах) есть схема электронной защиты и предохранитель, защищающие прибор от воздействия опасного напряжения. Повредить такой омметр можно лишь с помощью напряжения в сотни и тысячи вольт, «пробивающего» микроконтроллер прибора. После такого воздействия мультиметра восстановлению не подлежит. Обязательно отключите питание устройства, на котором оценивается состояние резистора, катушки или обмотки двигателя.

О том, как правильно пользоваться омметром, смотрите в следующем видео.