Гальванометр - история и принцип действия - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Трудно переоценить вклад этого прибора в научные исследования. Однако гальванометр нашел применение в различных областях:

История гальванометра тесно связана с открытием понятия “электромагнитная индукция” и работой многих выдающихся ученых мира, которые создавали новые версии этого прибора и совершенствовали его. Но три эпохальные фигуры в мире физики и гальванометров следует упомянуть отдельно:

Х.Ч. Эрстед;
Л. Гальвани;
М. Фарадей.

Датский ученый Ханс Кристиан Эрстед 15 февраля 1820 года, проводя эксперимент в рамках лекции по электричеству, пропустил электрический ток через проводник, лежавший поверх корабельного компаса. Это привело к тому, что при включении цепи игла компаса отклонилась от своего первоначального положения. Проведя несколько подобных экспериментов с другими металлами и различными значениями тока, Эрстед фактически доказал существование магнитного поля и электромагнитной индукции. А сам эксперимент (проводник, магнитная стрелка и источник тока) лег в основу первого гальванометра.

Луиджи Гальвани изучал электричество, протекающее в живых и физически мертвых организмах. Впоследствии, на основе исследований “обратного” удара, были определены условия для “гальванизма” – явление вызывания мышечных сокращений при прохождении электрического тока. Это позволило создать и изучить первые электрические индукции.

Майкл Фарадей в конце августа (29) 1831 года, находясь в своей лаборатории, исследовал течение электрического тока в проводнике и экспериментально доказал существование электромагнитной индукции, используя для этого явления гальванометр. То, что перевернуло всю физику и фундаментальные законы природы, а именно наличие электромагнитного поля и индукции доказало существование нового вида материи.

Это один из самых чувствительных, точных и быстрых из всех типов приборов.

Содержание

Принцип работы гальванометра

Принцип действия прибора основан на преобразовании измеряемого I в механическое движение стрелки, которое указывает на наличие или отсутствие заданного параметра.

На передней панели может отсутствовать шкала градуировки. В этой ситуации он используется для визуальной индикации наличия или отсутствия тока. Поэтому эти устройства часто используются в качестве индикатора нуля.

Первые устройства были разработаны почти два века назад Джоном Швейгером.

Они состояли из стрелки из магнитного материала (часть компаса), которая висела на тонкой нити и была помещена в прямоугольную рамку, позже замененную на катушку с намотанным электрическим проводом. Когда U было приложено к проволоке рамки, стрелка отклонилась. Когда U была удалена, она вернулась в исходное положение, в соответствии с меридианом участка.

Это устройство первоначально называлось “мультипликатором”, а позже было признано как первый гальванометр (или гальваноскоп).

Большинство современных приборов представляют собой магнитоэлектрические устройства, конструкция которых практически идентична устройству, изобретенному Швайгером. Они включают в себя три компонента:

Рамка с точно намотанным проводом, удерживаемая специальной пружиной в нулевой точке (катушке) и установленная на оси в магнитном поле.
Магнит (постоянный).
Шкала (с градуировкой или без).
Указатель механически связан с катушкой (образует 1 ось вращения).

Все типы имеют в основном один и тот же принцип работы, а именно:

К катушке прикладывается определенное значение I.
Протекание тока I по катушке индуцирует электромагнитное поле, которое взаимодействует с полем постоянного магнита.
Сила, вызванная взаимодействием этих полей, заставляет катушку вращаться и располагаться точно между полюсами магнита.
Поскольку световой указатель механически связан с катушкой, вращение последней также вызывает его движение.
После расчета отношения I масштаб шкалы изменяется в соответствии с отклонением указателя на то или иное значение I.

Как упоминалось выше, шкала изготавливается без делений или с условно нанесенными делениями. В таких случаях гальванометр используется в качестве индикатора нуля.

Сбор, хранение и обработка данных в компьютерных системах значительно превосходит по гибкости все способы записи электрических сигналов на бумаге самописцами.

Принцип работы

Гальванометр чаще всего используется в качестве аналогового измерительного прибора. Он используется для измерения силы постоянного тока, протекающего в цепи. Гальванометры конструкции д’Арсонваля/Вестона, используемые сегодня, сделаны с небольшой катушкой, вращающейся в поле постоянного магнита. К катушке прикреплен указатель. Маленькая пружина заставляет катушку со стрелкой возвращаться в нулевое положение.

Когда через катушку протекает постоянный ток, в ней создается магнитное поле. Это взаимодействует с полем постоянного магнита, и катушка со стрелкой вращается, указывая на электрический ток, протекающий через катушку.

Базовая чувствительность гальванометра может составлять, например, 100 мкА (при падении напряжения, скажем, 50 мв, при полном токе). Большие токи можно измерять с помощью шунтов.

Поскольку указатель прибора находится на небольшом расстоянии от шкалы, может возникнуть параллакс. Чтобы избежать параллакса, под указатель помещается зеркало. Если совместить стрелку с ее отражением в зеркале, можно избежать параллакса.

Когда ток проходит через катушку, он создает вокруг нее магнитное поле. Взаимодействие магнитного поля катушки и магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, создает силу, которая заставляет катушку вращаться. Если магнитное поле катушки достаточно сильное, катушка преодолевает сопротивление пружины и пытается выровняться между полюсами постоянного магнита. Когда катушка перемещается, перемещается и указатель. Величина перемещения катушки и указателя пропорциональна величине тока, протекающего через катушку.

Принцип работы гальванометра

Гальванометр состоит из постоянного магнита, катушки проволоки, установленной между полюсами магнита; очень легкой стрелки, прикрепленной к катушке и имеющей ту же ось вращения, что и она; пружины, удерживающей стрелку в нулевом положении, когда в катушке не течет ток.

Диаграмма гальванометра

За стрелкой гальванометра находится шкала, градуированная в электрических единицах. Поэтому положение стрелки на шкале указывает на величину измеряемого электрического параметра.

Существует две основные категории гальванометров, в зависимости от того, какая часть прибора является подвижной. Это, в свою очередь, определяет их функциональность. В первой категории К первому типу относятся приборы с подвижными магнитами, ко второму – с подвижными токоприемниками.. Оба типа одинаково эффективны для измерения медленно меняющегося тока в любой момент времени, а также быстро меняющегося напряжения. Другие функции включают измерение суммарного действия токов за определенный период времени, что обычно делается с помощью флуметрических и баллистических гальванометров.

Отличия от амперметра

Независимо от конкретной конструкции и диапазона работы, любой гальванометр – это электроизмерительный прибор, характеризующийся повышенной чувствительностью и используемый для определения силы малого тока. Многие люди задаются вопросом, В чем разница между этим типом измерительного прибора и классическим амперметром?. Прежде всего, следует отметить, что последние представляют собой приборы для определения величины тока, измеряемого в амперах.

Шкала этих приборов может быть откалибрована в микроамперах, миллиамперах, амперах и килоамперах, в зависимости от диапазона выполняемых ими измерений.

В отличие от микроамперметра, который также способен измерять относительно небольшие токи, шкала гальванометра градуируется в нескольких электрических величинах. К ним относятся единицы напряжения.

Еще одним важным моментом является то, что описанные измерительные приборы могут быть обычным образом откалиброваны. Эта шкала чаще всего встречается в ситуациях, когда гальванометр выступает в качестве индикатора нуля.

Хотя все описанные манометры имеют одинаковый принцип работы, существует целый список вариаций. Каждый тип отличается от других по дизайну и функциональности. Широкий выбор позволяет приобрести оборудование, полностью отвечающее всем требованиям и предпочтениям потенциального покупателя. В то же время некоторым людям трудно разобраться в многообразии доступных моделей и обозначений, таких как, например, M-001.

Так чтоГальванометры M195 и M195/1 подходят для нулевых измерений. Стоит отметить, что все представленные на рынке устройства отличаются друг от друга в первую очередь дизайном. Магнитоэлектрические счетчики имеют электропроводящую рамку, которая во время работы закрепляется на специальной оси, помещенной в магнитное поле. Отклонение указателя от нулевого положения зависит от величины приложенного тока, индукции и жесткости возвратной пружины.

Главной особенностью приборов этого типа является высокая чувствительность.

Особенностью тангенциальных гальванометров является наличие компаса, который необходим для сравнения магнитных полей электрического тока и земли. Название этих устройств происходит от того, что их работа основана на тангенциальном законе магнетизма. Катушка в этом случае изготовлена из меди и изолирована. Сама рама устанавливается вертикально, и во время работы устройство вращается вокруг собственной оси. Компас находится в горизонтальной плоскости и в самом центре круговой шкалы. Перед работой тангенциальный гальванометр устанавливают так, чтобы игла компаса совпадала с плоскостью катушки. Затем через нее пропускается ток, создавая магнитное поле на оси катушки.

Стоит отметить, что искусственное поле перпендикулярно магнитному полю планеты.

В результате указатель прибора реагирует на оба активных поля и отклоняется на определенный угол от нуля, который является тангенсом отношения искусственного и естественного полей.

Помимо уже описанных, существуют также следующие типы гальванометров.

Электромагнитные инструментыЭлектромагнитные катушки имеют простую конструкцию, основными компонентами которой являются неподвижная катушка и свободный магнит или сердечник. При протекании электрического тока этот подвижный элемент либо вращается, либо втягивается в катушку. Основным недостатком этих моделей является нелинейность шкалы, что затрудняет калибровку. В подавляющем большинстве случаев электромагнитные гальванометры работают как амперметры переменного тока.
Электродинамические устройстваЭлектродинамические устройства, в которых катушки выступают в качестве статических и подвижных элементов.
ЗеркалоВ отличие от подавляющего большинства своих “собратьев”, эти устройства характеризуются максимальной точностью. Эти устройства используют небольшие зеркала и отраженный от них луч света при снятии показаний. Этот тип гальванометра широко использовался в свое время.
Вибрирующие моделиВибрационные датчики – это вариация на тему зеркальных датчиков. Одна из их главных особенностей – компактные размеры и малый вес. Регулировка осуществляется путем натяжения пружины.
Тепловые гальванометрыТеплосчетчик состоит из рычажной системы и проводника. Когда по проводнику течет электрический ток, его длина изменяется (увеличивается). Параллельно рычаги преобразуют эту деформацию проводника в отклонение стрелки индикатора.
Апериодический. В этом случае суть работы прибора заключается в том, что после каждого отклонения стрелка гальванометра возвращается в равновесное положение.
Баллистические устройстваПоследние используются для определения параметров одиночных электрических импульсов. Движущиеся части этих моделей обладают повышенной инерцией, что отличает их от других модификаций.

В дополнение к вышеуказанным решениям следует также рассмотреть струнные гальванометры. Это одна из первых конструкций, первоначально использовавшаяся в медицине. Разработчиком прибора в 1895 году был голландский физиолог Виллем Эйнтховен. В качестве измерительного устройства использовалось кварцевое волокно, которое из-за своей минимальной толщины могло вибрировать под воздействием воздуха. Он удерживается в магнитном поле под напряжением.

Все эти типы гальванометров характеризуются простотой конструкции и эксплуатации. Однако, благодаря активному внедрению передовых технологий и инновационных технических решений, электронные измерительные приборы сегодня используются практически повсеместно. Их главные преимущества – надежность и, конечно же, максимально возможная точность.

Все движения индикатора отображаются на шкале, откалиброванной на соответствующую единицу измерения. Помимо единиц измерения электрического тока, на шкале могут быть обозначены и другие единицы, например, милливольты. Часто шкала гальванометра обозначается довольно условно.

Типы гальванометров

Несмотря на принцип действия, эти измерительные устройства отличаются по конструкции. Например, магнитоэлектрический гальванометр обеспечивает снятие показаний с помощью специальной электропроводящей рамки, закрепленной на оси и помещенной в поле действия постоянного магнита.

Он удерживается в нулевом положении специальной пружиной. Когда ток проходит через рамку, она отклоняется под определенным углом. Угол зависит не только от силы тока, но и от жесткости пружины и индукции магнитного поля. Они очень чувствительны и дают наиболее точные результаты.

Читайте далее: