Как из гальванометра сделать вольтметр. Краткие теоретические сведения

Дата распечатки 06.04.2019 12:25

Что такое гальванометр

Гальванометр – это прибор для измерения параметров электроцепи , точнее – минимальных значений I, R и количества электричества (при известной постоянной прибора). Чтобы выяснить, какое действие I используется в гальванометре, нужно остановиться на его комплектации.

Когда нужно либо обнаружить, либо замерить величину I крайне небольших значений, применяют гальванометр, обладающий высокой степенью чувствительности. Помимо прямого измерения, он реагирует присутствие или отсутствие I или U на определенном участке цепи.

Принцип работы гальванометра

Принцип работы прибора основан на преобразовании замеряемого I в механическое движение стрелки, которая и показывает присутствие или отсутствие данного параметра.

На передней панели может отсутствовать так называемая шкала делений. В такой ситуации он используется для визуального отображения наличия или отсутствия тока. Именно потому данные устройства часто используют в качестве нуль-индикатора.

Самый первые приборы были созданы почти два века назад Иоанном Швайггером.

Они представляли собой стрелку, выполненную из магнитного материала (часть от компаса), которая висела на тонкой нити и помещалась в прямоугольную рамку, позднее замененную на катушку с намотанным электрическим проводом. При подаче напряжения U на провод рамки происходило отклонение стрелки. При снятии U она возвращалась в свое исходное положение, совместимое с меридианом места установки всей конструкции.

Подобное устройство изначально получило название «мультипликатор», а впоследствии было признано первым гальванометром (или гальваноскопом).

Большинство современных приборов являются магнитоэлектрическими приборами, конструкция которых практически не отличается от устройства, изобретенного Швайггером. В своей основе они содержат три элемента:

• Рамку с проводом тонкой намотки, удерживаемой специальной пружиной в точке "ноль" (катушка) и установленной на оси в магнитном поле.
• Магнит (постоянный).
• Шкалу (с градуировкой или без).
• Указатель, механически соединенный с катушкой (образует 1 ось вращения).

Все типы имеют практически одинаковый принцип работы, а именно:

• На катушку подается некоторое значение I.
• За счет прохождения I вокруг нее наводится электромагнитное поле, вступающее во взаимодействие с полем постоянного магнита.
• Вызванная взаимодействием полей сила стремится повернуть катушку и установить ее ровно между полюсами магнита.
• Поскольку облегченный указатель механически связан с катушкой, вращение последней также приводит к его перемещению.
• Рассчитав пропорции I, на шкалу наносится градуировка, соответствующая отклонению указателя на то или иное значение I.

Как указывалось выше, шкала либо выполняется без градуировки, либо с условно нанесенными делениями. В таких случаях гальванометр используется как нуль-индикатор.

Типовые конструкции

Все гальванометры по своим конструктивным особенностям могут подразделяться на два основных типа:

• Переносные, используемые для цепей DC. Включают в себя рамку (подвижную), крепится на растяжках, шкалу, указатель (механический или световой).
• Стационарные (зеркальные). Эти приборы не подлежат переноске и требуют в обязательном порядке выравнивания по уровню.

Особенности устройства стационарного гальванометра

Если в переносных подвижная рамка фиксируется при помощи растяжек, то в приборах стационарного типа она закреплена на подвесе.

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

При подключении стационарного устройства к отрезку электрической цепи с протекающим током, рамка приходит в движение и начинает поворачиваться. Для того чтобы зафиксировать и измерить данный угол поворота, используется зеркало, на которое посредством специальной лампы подается световой луч.

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.

Виды существующих гальванометров

Все имеющиеся приборы можно разделить на несколько основных видов в зависимости от их конструктивного исполнения.

Магнитоэлектрический

Как уже упоминалось выше, по конструктивному исполнению он представляет собой рамку прямоугольной формы с намоткой тонким проводом, помещенную в поле действия магнита (постоянного).

В роли удерживающего устройства используется пружина, которая достаточно жестко фиксирует своеобразную катушку (рамку) в нейтральном (нулевом) положении.

При подаче напряжения через провод начинает протекать I, в результате чего происходит отклонение рамки на фиксированный угол, определяющийся следующими параметрами:

• Значения I.
• Индукции магнитного поля.
• Коэффициента жесткости (пружины).

По отклонению указывающего элемента и определяют значение протекающего I. Данные механизмы достаточно популярны, так как отличаются большим коэффициентом чувствительности.

Электромагнитный

Считаясь наиболее простым по своей конструкции среди аналогичных, электромагнитный прибор включает:

• Катушку (неподвижную).
• Сердечник (подвижный).

При подаче I на провод катушки сердечник начинает поворачиваться или втягиваться в нее и, соответственно, сдвигает указатель на шкале.

Подобный вид активно используется для измерения малых величин I AC, однако его погрешность достаточно велика. Это связано с нелинейностью шкалы, что приводит к значительным трудностям при его градуировке.

Тангенциальный

Основным устройством, используемым в данном типе, является обычный компас.

Благодаря ему прибор сравнивает два вида поля (магнитных):

• Земли.
• наведенное протекающим I.

Сам гальванометр работает по принципу тангенциального закона магнетизма (угол наклона стрелки магнита (тангенс) пропорционален отношению магнитных полей, направленных под углом 90 друг к другу).

В нем также имеется катушка с медной обмоткой, выполненная в виде рамки. При подаче I рамка, которая располагается строго вертикально, начинает проворачиваться вокруг своей центральной оси.

В самом центре на градуированной шкале расположен компас, на стрелке которого закреплен алюминиевый указатель, при этом он должен совпадать с плоскостью обмотки. При подаче электрического I он наводит магнитное поле на оси соленоида, располагающееся строго перпендикулярно магнитному полю Земли. Под действием двух полей указатель компаса начинает двигаться и поворачиваться на угол, который и равен тангенсу соотношения поля Земли и наведенного I. В пропорции этого отклонения и градуируется шкала.

Электродинамический

В приборе имеются катушки, выполняющие одновременно роль как подвижных, так и статических элементов.

Принцип его действия базируется на воздействии стального магнита на проводник с I. Если тонкий натянутый провод расположить вертикально, а вблизи его середины разместить стальной магнит, то при подаче электрического тока на проводник будет наблюдаться его отклонение даже при незначительной величине I.

На основании подобного закона и были созданы так называемые струнные устройства, которые в настоящее время нашли широкое применение в лабораторной технике.

Зеркальный

Относится к наиболее чувствительным, точным и быстрым из всех представленных видов приборов.

Состоит из зеркала, на которое подается световой луч. Само измерение производится за счет угла поворота рамки с намотанной на нее обмоткой. С учетом того, что поворот рамки достаточно мал, посредством оптического эффекта, создаваемого световым лучом, можно получить отражение от зеркала падающего луча на специальную градуированную шкалу.

Если при подаче I рамка разворачивается на угол, сам луч уже образует угол 2, а световое пятно смещается на определенное количество делений (на шкале). То есть, прибор настраивается так, что угол поворота самой рамки оказывается прямо пропорциональным числу делений.

Вибрационный

Данное устройство отличается малыми габаритами и применяется, как правило, в качестве нуль-индикатора. Подобные типы бывают двух видов:

• Петлевые.
• Рамочные.

Все они оснащены петлей или рамкой, находящейся в сильном магнитном поле и настраиваются посредством натяжения удерживающей пружины. Отличительной особенностью данных устройств является очень высокая чувствительность, позволяющая измерять минимальные значения I.

Тепловой

Включает в себя два основных элемента:

• Проводника, на который подается I.
• Рычажной системы.

При подаче электрического тока за счет своего материала проводник начинает удлиняться, а рычажная система преобразует изменение в движение указателя, с которым она связана механически.

Апериодический

Данный вид прибора отличает то, что указатель на шкале все время возвращается в свое первоначальное, исходное положения после каждого проведения измерений без каких-либо колебаний.

Баллистический

Чтобы измерить количество электричества (потокосцепления) в импульсах I, применяют баллистические гальванометры.

Отличительной особенностью в них является то, что подвижная часть устройства имеют больший момент инерции. Это означает, что время импульса I должно быть в разы меньше, чем Т колебаний рамки.

Применение гальванометров

Гальванометр применяется не только как самостоятельный прибор, показывающий малые значения, I, U или выполняющего роль нуль-индикатора, но и также как основной блок многих других измерительных приборов. Ниже будет подробно рассказано о каждом из таких вариантов использования.

1. Как амперметр или вольтметр, а именно:

• подключение сопротивления (шунтирующего) в параллель с устройством позволяет измерять ток (амперметр);
• включение R (добавочного) последовательно к устройству дает возможность измерять напряжение (вольтметр).

Таким образом, даже при отсутствии подключенного сопротивления прибор может выполнять как функцию амперметра, так и вольтметра в зависимости от подключения его к интересующему участку цепи.

2. Как термометр или экспонометр:

• при подключении фотодиода используется как экспонометр;
• при соединении с датчиком температуры (термоэлементом) будет выполнять функции своеобразного термометра.

3. Как измеритель заряда.

Для данной цели применяют баллистический гальванометр. Он позволяет измерить одиночный импульс заряда, так как после его протекания через прибор происходит резкий отброс внутренней рамки.

4. Как индикатор нуля.

При имеющемся положении стрелки на "нуле" на градуированной шкале, устройство применяется в качестве нуль-индикатора и показывает отсутствие электрического параметра при подключении к участку цепи.

5. Для записи различных сигналов в осциллографе.

За счет своего конструктивного исполнения гальванометр в осциллографе подключается напрямую к пишущему устройству (писчику). При подаче какого-либо импульса прибор реагирует на него и приводит в движение писчик, которые отображает определенные колебания на бумаге. При этом, в данных ситуациях используются различные типы приборов:

• С большим усилием, способные передвигать писчик по бумаге.
• С малым. Это подойдет для тех вариантов использования, когда требуется лишь периодический и кратковременный контакт пишущего устройства с бумагой.

6. Для осуществления оптической развертки в системах лазерной оптики (зеркальные).

В настоящее время аналоговые приборы постепенно уступают место современным устройствам, работающим на основе цифровых технологий. Единственными типами гальванометров, востребованными и сегодня, являются зеркальные устройства, которые применяются в качестве одной из составляющей установки в лазерной технологии, так как способны производить отклонение луча лазера.

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)

16 сентября 1820 года . «Мультипликатор» Швейггера можно считать первым гальванометром (точнее, гальваноскопом).

Термин «гальванометр» впервые появился в 1836 году , произошёл от фамилии учёного Луиджи Гальвани .

Основная чувствительность гальванометра может быть, например, 100 мк (при падении напряжения, скажем, 50 , при полном токе). Используя шунты , можно измерять большие токи.

Так как стрелка прибора находится на небольшом расстоянии от шкалы, может возникнуть параллакс . Чтобы его избежать, под стрелкой располагают зеркало. Совмещая стрелку со своим отражением в зеркале, можно избежать параллакса.

Магнитоэлектрический гальванометр представляет собой проводящую рамку (обычно намотана тонким проводом), закреплённую на оси в магнитном поле постоянного магнита . При отсутствии тока в рамке рамка удерживается пружиной в некотором нулевом положении. Если же по рамке протекает ток , то рамка отклоняется на угол, пропорциональный силе тока, зависящий от жёсткости пружины и индукции магнитного поля. Стрелка, закреплённая на рамке, показывает значение тока в тех единицах, в которых отградуирована шкала гальванометра.

От прочих конструкций магнитоэлектрическая система отличается наибольшей линейностью градуировки шкалы прибора (в единицах силы тока или напряжения) и наибольшей чувствительностью (минимальным значением тока полного отклонения стрелки).

Электромагнитный гальванометр - исторически самая первая конструкция гальванометра. Содержит неподвижную катушку с током и подвижный магнит (в приборах постоянного тока) или сердечник из магнитомягкого материала (для приборов, измеряющих и постоянный, и переменный ток), втягиваемый в катушку или поворачивающийся относительно неё.

Данная конструкция отличается большей простотой, отсутствием необходимости делать катушку возможно меньшего размера и веса (что требуется для магнитоэлектрической системы), отсутствием проблемы подведения тока к подвижной катушке. Однако такие приборы отличаются существенной нелинейностью шкалы (из-за неравномерностей магнитного поля сердечника и краевых эффектов катушки) и соответствующей сложностью градуировки. Тем не менее, применение данной конструкции приборов в качестве амперметров переменного тока относительно большой величины оправдано большей простотой конструкции и отсутствием дополнительных выпрямительных элементов и шунтов . Вольтметры же переменного и постоянного тока электромагнитной системы наиболее удобны для контроля узкого диапазона значений напряжения , так как начальный участок шкалы прибора сильно сжат, а контролируемый участок может быть растянут.

Тангенциальный гальванометр созданный компанией Баннела около 1890 года.

Тангенциальный гальванометр - один из первых гальванометров, использовавшихся для измерения электрического тока . Работает с помощью компаса, который используется для сравнения магнитного поля, создаваемого неизвестным током, с магнитным полем Земли. Своё название прибор получил от тангенциального закона магнетизма, в котором говорится, что тангенс угла наклона магнитной стрелки пропорционален соотношению сил двух перпендикулярных магнитных полей. Впервые это было описано Клодом Пулье в 1837 году .

Тангенциальный гальванометр состоит из катушки, сделанной из изолированной медной проволоки , намотанной на немагнитную рамку, расположенную вертикально. Рамка может поворачиваться вокруг вертикальной оси, проходящей через её центр. Компас расположен горизонтально и в центре круговой шкалы. Круговая шкала разделена на четыре квадранта, каждый из которых проградуирован от 0° до 90°. К магнитной стрелке компаса прикреплён длинный алюминиевый указатель. Чтобы избежать ошибок из-за параллакса под стрелкой устанавливают плоское зеркало .

В процессе работы гальванометр устанавливают так, чтобы стрелка компаса совпала с плоскостью катушки. Затем к катушке подводят измеряемый ток. Ток создаёт магнитное поле на оси катушки, перпендикулярное магнитному полю Земли. Стрелка реагирует на векторную сумму двух полей и отклоняется на угол, равный тангенсу отношения этих полей.

Одна из проблем тангенциального гальванометра - сложности при измерении очень больших и очень малых токов.

Тангенциальный гальванометр также можно использовать для измерения горизонтальной составляющей геомагнитного поля . Для этого низкое напряжение питания, подключают последовательно с реостатом , гальванометром и амперметром . Гальванометр располагают так, чтобы магнитная стрелка была параллельна катушке, при отсутствии в ней тока . Затем на катушку подаётся напряжение, которое регулируют реостатом до такой величины, чтобы стрелка отклонилась на угол 45 и величина магнитного поля на оси катушки становится равной горизонтальной составляющей геомагнитного поля Земли. Это поле можно рассчитать через ток, измеренный амперметром, число витков катушки и её радиус.

В качестве подвижного и неподвижного элемента используются катушки с током. Частный случай - низкочастотный аналоговый ваттметр .

Вибрационные гальванометры являются разновидностью зеркальных гальванометров. Собственная частота колебаний движущихся частей настроена на строго определённую частоту, обычно 50 или 60 Гц . Возможны более высокие частоты до 1 Гц . Поскольку частота зависит от массы подвижных элементов, высокочастотные гальванометры имеют очень малые размеры. Настройка вибрационного гальванометра осуществляется изменением силы натяжения пружины.

Вибрационные гальванометры переменного тока предназначены для определения малых значений силы тока или его напряжения . Подвижная часть подобных приборов имеет достаточно низкий момент инерции . Их наиболее распространенное применение в качестве нуль-индикаторов в мостовых схемах переменного тока и компараторах . Резкий резонанс колебаний в вибрационном гальванометре, делает его очень чувствительным к изменениям частоты измеряемого тока и может быть использован для точной настройки приборов.

Тепловой гальванометр состоит из проводника с током, удлиняющимся при нагреве, и рычажную систему, преобразующую это удлинение в движение стрелки.

Апериодическим называют гальванометр, стрелка которого после каждого отклонения становится тотчас в положение равновесия, без предварительных колебаний, как это бывает в простом гальванометре .

Большой точности измерений, а также наибольшей скорости реакции стрелки можно достигнуть, используя зеркальный гальванометр, в котором в качестве указателя используется небольшое зеркальце. Роль стрелки играет луч света, отражённый от зеркала. Зеркальный гальванометр был изобретен в 1826 году Иоганном Христианом Поггендорфом .

Зеркальные гальванометры широко использовались в науке, до того как были изобретены более надёжные и стабильные электронные усилители . Наибольшее распространение они получили в качестве записывающих устройств в. На основе гальванометра можно построить) в фотографии, измерителя разности температур и т. п.. Для этого он обычно исполняется с нулевым положением стрелки посередине шкалы.

Гальванометры используется для позиционирования писчиков в осциллографах , например в аналоговых электрокардиографах. Они могут иметь частотный отклик в 100 Гц и отклонение писчиков в несколько сантиметров . В некоторых случаях (у энцефалографа) гальванометры настолько сильны, что двигают писчики, находящиеся в непосредственном контакте с бумагой. Их пишущий механизм может быть основан на жидких чернилах или на подогреве писчиков, двигающихся по термобумаге. В других случаях гальванометры не обязаны быть столь сильными: контакт с бумагой происходит периодически, поэтому требуется меньше усилий на перемещение писчиков.

Системы зеркальных гальванометров используются для позиционирования в лазерных оптических системах. Обычно это механизмы высокой мощности с частотным откликом свыше 1 Гц .

В современных условиях аналого-цифровые преобразователи и приборы с цифровой обработкой сигналов и числовой индикацией величин заменяют гальванометры в качестве измерительных приборов, особенно в составе универсальных (авометров) и в механически сложных условиях работы.

Получение, хранение и обработка данных в компьютерных системах по гибкости значительно превышает все способы фиксации электрических сигналов самописцами на бумаге.

Зеркальные гальванометры также потеряли своё значение в системах развёртки, сначала с появлением электронно-лучевых устройств, а там, где необходимо, управление внешним световым потоком - с появлением эффективных пьезоэлектрических устройств и сред с управляемыми свойствами (например, жидких кристаллов). Однако на базе зеркальных гальванометров выпускаются устройства для отклонения луча лазера в лазерной технологии и установках для лазерных шоу (англ.) .

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.

Гальванометр

Гальванометр(от фамилии учёного Луиджи Гальвани и др.-греч. μετρέω «измеряю») - высокочувствительный прибор для измерения малых постоянных и переменных электрических токов.

В отличие от обычных микроамперметров шкала гальванометра может быть проградуирована не только в единицах силы тока, но и в единицах напряжения, других физических величин, или иметь условную, безразмерную градуировку, например, при использовании в качестве нуль-индикаторов.

Принцип действия

Чаще всего гальванометр используют в качестве аналогового измерительного прибора.

Он используется для измерения постоянного тока, протекающего в цепи.

Гальванометры конструкции д"Арсонваля/Уэстона используемые на сегодняшний день сделаны с небольшой поворачивающейся катушкой, находящейся в поле постоянного магнита.

К катушке прикреплена стрелка.

Маленькая пружина возвращает катушку со стрелкой в нулевое положение.

Когда постоянный ток проходит сквозь катушку, в ней возникает магнитное поле.

Оно взаимодействует с полем постоянного магнита, и катушка, вместе со стрелкой, поворачивается, указывая на протекающий через катушку электрический ток.

Основная чувствительность гальванометра может быть, например, 100 мкА (при падении напряжения, скажем, 50 мв, при полном токе).

Используя шунты можно измерять большие токи.

Так как стрелка прибора находится на небольшом расстоянии от шкалы, может возникнуть параллакс.

Чтобы его избежать, под стрелкой располагают зеркало.

Совмещая стрелку со своим отражением в зеркале, можно избежать параллакса.

Разновидности и устройство

Магнитоэлектрический

Представляет собой проводящую рамку (обычно намотана тонким проводом), закреплённую на оси в магнитном поле постоянного магнита.

При отсутствии тока в рамке она удерживается пружиной в некотором нулевом положении.

Если же по рамке протекает ток, то рамка отклоняется на угол, пропорциональный силе тока, зависящий от жёсткости пружины и индукции магнитного поля.

Стрелка, закреплённая на рамке, показывает значение тока в тех единицах, в которых отградуирована шкала гальванометра.

От прочих конструкций магнитоэлектрическая система отличается наибольшей линейностью градуировки шкалы прибора (в единицах силы тока или напряжения) и наибольшей чувствительностью (минимальным значением тока полного отклонения стрелки).

Электромагнитный

Исторически самая первая конструкция гальванометра.

Содержит неподвижную катушку с током и подвижный магнит (в приборах постоянного тока) или сердечник из магнитомягкого материала (для приборов, измеряющих и постоянный, и переменный ток), втягиваемый в катушку или поворачивающийся относительно неё.

Данная конструкция отличается большей простотой, отсутствием необходимости делать катушку возможно меньшего размера и веса (что требуется для магнитоэлектрической системы), отсутствием проблемы подведения тока к подвижной катушке.

Однако такие приборы отличаются существенной нелинейностью шкалы (из-за неравномерностей магнитного поля сердечника и краевых эффектов катушки) и соответствующей сложностью градуировки.

Тем не менее, применение данной конструкции приборов в качестве амперметров переменного тока относительно большой величины оправдано большей простотой конструкции и отсутствием дополнительных выпрямительных элементов и шунтов.

Вольтметры же переменного и постоянного тока электромагнитной системы наиболее удобны для контроля узкого диапазона значений напряжения, так как начальный участок шкалы прибора сильно сжат, а контролируемый участок может быть растянут.

Тангенциальный

Тангенциальный гальванометр созданный компанией Баннела около 1890.

Тангенциальный гальванометр - один из первых гальванометров, использовавшихся для измерения электрического тока.

Он работает с помощью компаса, который используется для сравнения магнитного поля создаваемого неизвестным током с магнитным полем Земли.

Свое название он получил от тангенциального закона магнетизма, в котором говорится, что тангенс угла наклона магнитной стрелки пропорционален соотношению сил двух перпендикулярных магнитных полей.

Впервые это было описано Клодом Пулье в 1837 году.

Тангенциальный гальванометр состоит из катушки, сделанной из изолированной медной проволоки, намотанной на немагнитную рамку, расположенную вертикально.

Рамка может поворачиваться вокруг вертикальной оси, проходящей через ее центр.

Компас расположен горизонтально, в центре круговой шкалы.

Круговая шкала разделена на четыре квадранта, каждый из которых проградуирован от 0° до 90°.

К магнитной стрелке компаса прикреплен длинный алюминиевый указатель.

Чтобы избежать ошибок из-за параллакса под стрелкой устанавливают плоское зеркало.

В процессе работы гальванометр устанавливают так чтобы стрелка компаса совпала с плоскостью катушки.

Затем к катушке подводят измеряемый ток, который создает магнитное поле на оси катушки, перпендикулярное магнитному полю Земли.

Стрелка реагирует на векторную сумму двух полей и отклоняется на угол равный тангенсу отношения этих полей.

Зеркальный гальванометр

Большой точности измерений, а также наибольшей скорости реакции стрелки можно достигнуть, используя зеркальный гальванометр, в котором в качестве указателя используется небольшое зеркальце.

Отражённый от него луч света играет роль стрелки.

Зеркальный гальванометр был изобретен в 1826 году Иоганном Христианом Поггендорфом.

Зеркальные гальванометры широко использовались в науке, до того как были изобретены более надежные и стабильные электронные усилители.

Наибольшее распространение они получили в качестве записывающих устройств в сейсмометрах и подводных коммуникационных кабелях.

В настоящее время высокоскоростные зеркальные гальванометры используют в лазерных шоу, для того чтобы перемещать лазерные лучи и создавать красочные фигуры в дыму вокруг аудитории.

Некоторые виды таких гальванометров применяют для лазерной маркировки разнообразных вещей: от ручных инструментов до полупроводниковых кристаллов.