Гальванометр: что измеряет этот прибор?

Что это такое?

По сути, любой гальванометр — это прибор, предназначенный для измерения параметров электрических сетей. Рассматривая характеристики этих устройств, следует отметить, что речь идет о минимальных значениях количества электричества, силы тока и сопротивления.

Например, для определения наличия и минимальных показателей I на конкретных участках цепи применяют гальванометры с повышенной чувствительностью.

Впервые функции отклонения магнитной стрелки под действием электрического тока в проводнике описал Ганс Эрстед еще в 1820 году. В то время подобное явление считалось способом измерения силы тока. Говоря об изобретателе гальванометра, следует отметить, что первым упомянул о таком приборе Иоганн Швайгер.

Это произошло 16 сентября 1820 года и связано с университетом Галле. Сам термин впервые появился в 1836 году и произошел от имени ученого Луиджи Гальвани.

Первоначально работа устройства основывалась на силе магнитного поля Земли. Такие образцы измерительной техники получили название тангенциальных гальванометров. Перед использованием их нужно было сориентировать в помещении.

Позже родилось первое астатическое устройство, создатели которого использовали противоположно направленные магниты. Такой подход позволил исключить фактор влияния упомянутого выше магнитного поля планеты.

Современные устройства на схемах маркируются в соответствии с действующим ГОСТом на схеме. Гальванометр обозначен стрелкой, направленной вверх и помещенной внутри круга.

Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, эти устройства обладают рядом важных функций.

• Одним из основных параметров является константа, значение которой определяет расстояние между зеркалом и шкалой и рассчитывается с учетом стандартного отрезка длиной 1 метр. В случае портативных устройств это значение равно цене одного деления шкалы. Для стационарных моделей она составляет 10–11 А/м/мм, а для мобильных – 10–8 или 10–9 А/дел. В обоих случаях допустима 10-процентная ошибка в любом направлении.
• Невозврат стрелки к нулевой отметке в процессе движения от крайней точки шкалы, то есть так называемая постоянная к нулю. Этот показатель в числовом выражении используется на шкале в виде ромбовидного символа.
• Наличие такого конструктивного элемента, как магнитный шунт. Положение меняется поворотом специальной ручки, что в свою очередь приводит к изменению постоянной гальванометра и магнитной индукции в зазоре. С учетом этого момента в технической документации, в том числе в паспорте измерительного прибора, указаны значения постоянной при двух положениях магнитного шунта, то есть во вставленном и выдвинутом состоянии.
• Наличие корректора, с помощью которого стрелка перемещается между двумя крайними положениями.
• Наличие клетки, которая является неотъемлемой частью всех современных устройств с подвесами. Этот элемент позволяет надежно закрепить подвижную часть и тем самым свести к минимуму риск повреждения устройства при транспортировке.
• Возможность установки электростатического экранирования для обеспечения наиболее эффективной защиты устройства от протечек.

Определенные конструктивные особенности гальванометров связаны именно с наличием упомянутой подвижной части. В частности, регулировка демпфирования, пропорционального его колебаниям, осуществляется подбором внешнего сопротивления (R).

В паспорте каждого устройства обязательно указано максимальное значение этого критического параметра.

На практике внешнее сопротивление в большинстве случаев устанавливается как можно ближе к критическому значению. Это, в свою очередь, исключает риск колебаний стрелки (указателя) в пределах положения равновесия.

История возникновения

Впервые в далеком 1820 году колебания магнитной стрелки под действием электрических зарядов отметил датчанин Ганс-Христиан Эрстед. При изучении этого свойства стало ясно, что явление может служить методом измерения тока.

Если говорить об изобретателе гальванометра, то следует упомянуть, что осенью того же 1820 года подобный прибор впервые описал в своих трудах немецкий физик И. Швейгер. Дошедшее до наших дней название возникло в 1836 году. Первоисточником стала фамилия итальянца Гальвани, поэтому существует мнение, что ее придумал этот ученый.

Принцип работы гальванометра, сконструированного в начале 19 века, заключался в элементарной концепции: к проволоке прикреплялась магнитная полоса, помещавшаяся в центре неподвижной катушки с проволокой. В момент появления тока в катушке стрелка перемещалась из исходного положения.

Функции

У многих возникает вполне закономерный вопрос, зачем нужен гальванометр в физике и быту. Как уже было сказано, этот прибор измеряет параметры электрической сети. При этом в основе функции лежит преобразование тока в механическое движение, в результате чего на шкале отображаются нужные показатели.

Как правило, рассматриваемое оборудование выполняет функции аналоговых приборов, измеряющих силу тока в сети.

Специалисты различных отраслей промышленности используют гальванометры для получения данных, подтверждающих, что искомые параметры находятся в определенных пределах. Это позволяет эффективно контролировать состояние электрических цепей и вовремя обнаруживать неисправности.

Важно помнить, что отклонение параметров от установленных норм чаще всего свидетельствует о неисправности в системах.

В зависимости от того, какая часть прибора является подвижной, гальванометры делятся на две основные категории. Это, в свою очередь, определяет их функциональность. Так, к первому варианту относятся устройства с подвижными магнитами, а ко второму — устройства с подвижными проводниками.

Оба типа одинаково эффективны при измерении медленно меняющегося тока в данный момент времени, а также тока при быстро меняющемся соответствующем напряжении. Кроме того, в перечень функций входит учет суммарного действия тока за заданный промежуток времени, который обычно выполняют флюмометры и баллистические гальванометры.

Устройство и принцип работы

Чтобы ответить на вопрос, как работает такой прибор, следует отметить, что конструкция простейшего гальванометра, родившегося в самом начале XIX века, включала в себя магнитную стрелку (стрелку), которая подвешивалась на тонкой проволоке и помещается внутрь неподвижной катушки.

Как только в этой проводной конструкции появляется электрический ток, стрелка отклоняется от исходного положения. При отсутствии питания в системе указатель останется неподвижным, то есть стрелка будет указывать на нулевую отметку.

Многие модели современных гальванометров представляют собой магнитоэлектрические приборы, использующие действие электрического тока. Их стандартная конструкция включает в себя следующие элементы.

1. Постоянный магнит.
2. Вращающаяся катушка, помещенная между полюсами.
3. Облегченная стрелка (стрелка), которая соединена с катушкой и образует с ней одну ось вращения. При отсутствии тока в последнем указатель фиксируется на нулевой отметке с помощью возвратной пружины.

В поле постоянного магнита помещена катушка (обмотка), на которой закреплен стрелочный указатель. В исходном положении эта конструкция удерживается упомянутой выше пружиной.

При прохождении электрического тока через катушку в ней сразу возникает магнитное поле. Параллельно происходит взаимодействие между ним и полем постоянного магнита. При этом обмотка вместе со стрелкой начинает отклоняться от нуля, что является показателем наличия тока в системе. Как только исчезает электрический ток, исчезает и магнитное поле катушки.

В этот момент под действием пружины стрелка возвращается в исходное положение. И в данном случае речь идет о наглядной демонстрации отсутствия тока в цепи. Другими словами, выполняется одна из функций гальванометра, то есть проверка на наличие напряжения.

Для понимания функций устройства следует отметить, что на сегодняшний день широко используются различные модификации описываемых устройств.

Так, мобильные устройства оснащены подвижной рамкой, которая закрепляется на удлинителях, а также встроенной шкалой и стрелочным или световым индикатором. Стационарные модели гальванометров устанавливаются по уровню, а на раме закрепляется небольшое зеркальце. Такие приборы оснащены внешней шкалой со световым индикатором, отличающейся максимальной чувствительностью.

С помощью светового луча, который отражается от зеркала и движется по шкале параллельно, осуществляется управление угловым перемещением рамки. На практике такие устройства рамочного типа применяются в качестве индикаторов нуля, то есть устройств, определяющих отсутствие электрического тока или напряжения в сети. Они позволяют в лабораторных условиях зафиксировать параметры на минимальных значениях I и U.

Почти все гальванометры снабжены магнитными шунтами, положение которых регулируется выносной ручкой для изменения величины индуктивности в рабочем зазоре. Таким образом можно изменить значения нужных параметров не менее чем в три раза с учетом требований действующих стандартов. За перемещение указателя в обе стороны от нулевой отметки отвечает специальный корректор.

Еще одним важным моментом является необходимость эффективной защиты гальванометров от помех.

Особенно это касается высокочувствительных устройств. Так, для стационарных моделей измерительной техники часто сооружают специальный фундамент (фундамент), надежно предотвращающий механические воздействия.

Утечка тока, как уже упоминалось, предотвращается экранированием. Среди прочего следует отметить, что каждый вид современного измерительного прибора имеет свои конструктивные особенности и принцип работы.

Отличия от амперметра

Независимо от особенностей конструкции и диапазона выполняемых операций любой гальванометр представляет собой электроизмерительный прибор, характеризующийся повышенной чувствительностью и применяемый для определения силы тока незначительной величины.

При этом многих интересует, в чем отличие этих образцов измерительной техники от классических амперметров. В первую очередь следует отметить, что последний является оборудованием для нахождения величины силы тока, измеряемой в амперах.

Шкала таких приборов, учитывая диапазон выполняемых ими измерений, может градуироваться в микроамперах, миллиамперах, амперах и килоамперах.

В отличие от микроамперметра, способного также определять показатели при относительно малых токах, шкала гальванометра калибруется по нескольким электрическим величинам. В их список входят, в том числе, устройства напряжения.

Еще одним важным моментом является то, что описываемые средства измерения могут иметь условную градуировку. Чаще всего такую ​​шкалу можно встретить в ситуациях, когда гальванометр выполняет функции нулевого индикатора.

Читайте также: Hitachi C7SS отзывы — отзывы покупателей о пиле Hitachi C7SS

Виды

Несмотря на то, что все описанные измерительные приборы имеют одинаковый принцип действия, существует целый перечень их вариантов. При этом каждый тип устройства отличается от других дизайном и функциональностью.

Широкий выбор позволяет приобрести оборудование, полностью отвечающее всем требованиям и предпочтениям потенциального покупателя. При этом кому-то довольно сложно разобраться в многообразии имеющихся моделей и таких обозначений, как, например, М-001.

Так гальванометры М195 и М195/1 предназначены для измерения нуля. Стоит отметить, что все модели техники, представленные на рынке, отличаются друг от друга, в первую очередь, конструктивно.

Магнитоэлектрические устройства имеют электропроводящий каркас, закрепленный во время работы на специальной оси, помещенной в магнитное поле. Отклонение стрелки от нулевого положения определяется величиной подаваемого тока, индукцией и жесткостью возвратной пружины.

Основной характеристикой этого типа устройств является их повышенная чувствительность.

Особенностью тангенциальных гальванометров является наличие компаса, необходимого для сравнения магнитных полей электрического тока и земли. Свое название устройства получили из-за того, что их действие основано на тангенциальном законе магнетизма. Катушка в этом случае изготовлена ​​из меди и имеет изоляцию.

Сама рамка размещена вертикально и при работе устройства вращается вокруг своей оси. Компас находится в горизонтальной плоскости и в центре круговой шкалы. Перед началом работы тангенциальный гальванометр располагают так, чтобы стрелка компаса совпадала с плоскостью намотки. После этого через нее пропускают ток, создающий магнитное поле на оси катушки.

Следует отметить, что искусственное поле перпендикулярно магнитному полю планеты.

В результате указатель единицы реагирует на оба активных поля и отклоняется на некоторый угол от нулевой отметки, являющейся тангенсом отношения искусственных полей к естественным.

Помимо уже описанных, существуют еще следующие виды гальванометров.

• Электромагнитные устройства достаточно простой конструкции, где основными элементами являются неподвижная катушка и свободный магнит или сердечник. При прохождении электрического тока этот подвижный элемент вращается или втягивается в катушку. Основным недостатком таких моделей является нелинейность шкалы, что затрудняет калибровку. В подавляющем большинстве случаев электромагнитные гальванометры работают как амперметры переменного тока.
• Электродинамические устройства, в которых катушки выполняют функции статического и подвижного элементов.
• Зеркала, отличающиеся от подавляющего большинства своих «собратьев» максимальной точностью. В этом оборудовании для снятия показаний используются маленькие зеркала и отражающийся от них луч света. В свое время этот тип гальванометра получил широкое распространение.
• Вибрационные модели, представляющие собой вариацию на тему зеркальных измерителей. Одной из их главных особенностей является компактность и малый вес. Настройка устройства осуществляется с помощью натяжения пружины.
• Термогальванометры, в конструкцию которых входит система рычагов и проводник. По мере прохождения через него последнего электрического тока его длина изменяется (увеличивается). Параллельно рычаги преобразуют эту деформацию поводка в отклонение указателя.
• Апериодический. В этом случае суть функции оборудования сводится к тому, что стрелка гальванометра после каждого отклонения возвращается в положение равновесия.
• Баллистические приборы, используемые для определения параметров одиночных электрических импульсов. Подвижные элементы таких моделей отличаются повышенной инерционностью, что отличает их от других модификаций.

Помимо всего вышеперечисленного, также стоит обратить внимание на струнные гальванометры. В данном случае речь идет об одной из первых конструкций, которая изначально использовалась в медицине. Создателем прибора в 1895 году стал голландский физиолог Виллем Эйнтховен.

Измерительный прибор состоял из кварцевой нити, которая благодаря наименьшей толщине была способна колебаться под действием воздуха. Ее держали в магнитном поле под напряжением.

Все перечисленные типы гальванометров отличаются простотой конструкции и эксплуатации. Однако в связи с активным внедрением передовых технологий и инновационных технических решений в настоящее время практически повсеместно используются электронные измерительные приборы. Их главные преимущества – надежность и, конечно же, максимальная точность.

Классификация гальванометров

Производители выпускают разные гальванометры. Несмотря на то, что все устройства работают по одному принципу, разработано богатое разнообразие подвидов этого устройства. Они отличаются друг от друга габаритами, конструктивными особенностями, делениями шкалы, функциональностью, принципом работы.

По конструктивным решениям гальванометры подразделяются на:

• Переносной, внутри которого установлен груз. В них используются как обычные стрелки, так и световая индикация.
• Зеркало с независимой шкалой делений. Такие устройства необходимо закреплять и регулировать строго по уровню при подключении.

Выносные элементы механизма размещены на удлинителях, в зеркале закреплены на гибком подвесе.

По области использования:

• бытовые цели;
• исследовательская работа;
• профессиональные (промышленные).

Как работает гальванометр:

• магнитоэлектрический;
• электромагнитный;
• тангенциальный;
• электродинамический;
• термальный;
• зеркало;
• вибрирующий.

Магнитоэлектрический гальванометр

Он состоит из каркасного проводника, обмотанного проволокой тонкого сечения. Рамка крепится к стержню в поле неподвижного магнита. Стрелка, прикрепленная к корпусу гальванометра, точно измеряет величину электрического тока в единицах, отградуированных по шкале. Магнитоэлектрические устройства отличаются от других подобных устройств высокой чувствительностью.

Электромагнитный

Элементами такого устройства были неподвижная катушка, находящаяся под напряжением, и лабильный магнит. Последний притягивается к катушке или вращается вокруг нее. Такое устройство имеет вариацию шкалы. Экзамены сложные.

Тангенциальный

Гальванометр работает с компасом. В конструкцию входит катушка из медного провода, которая намотана на вертикальную намагниченную раму качания.

Электродинамический

При этом катушки электрического тока используются как подвижные и стационарные механизмы.

Тепловой

Он состоит из электрического проводника, который может увеличиваться в длину при нагревании, и системы рычагов, преобразующих удлинение в колебательные движения указателя.

Зеркальный

Прибор имеет минимальную погрешность измерения. Световой поток, отраженный в зеркале, заменил в этом приборе стрелку шкалы. Чаще всего лазерные представления производятся с помощью быстродействующих зеркальных гальванометров. Это устройство лучше всего подходит для создания эффектного изображения движущихся цветных лучей.

Вибрационный

Это устройство является подвидом зеркальных устройств. Традиционным стало измерение явления нулевого показателя виброгальванометром. Реакция на колебательные движения в этом устройстве сделала его сверхчувствительным к частотным перенапряжениям. В связи с этим инструмент используется для настройки оборудования, требующего высокой точности настройки.

Применение гальванометра в физике и повседневной жизни

Профессионалы во всех отраслях промышленности и других сферах деятельности используют гальванометры для измерения данных, доказывающих, что те или иные значения находятся в заданном диапазоне. Таким образом осуществляется эффективный контроль текущего состояния электрических цепей, заблаговременно устраняются дефекты или поломки.

Ученые активно используют высокоточный прибор в лабораторных и исследовательских целях. Физики измеряют ток гальванометром. Для этого устройство подключается таким образом, чтобы через него проходил весь электрический ток в цепи. Для достижения этого результата цепь на участке размыкается, концы соединяются с контактами устройства. Итак, оборудование включено последовательно в цепь и готово к работе.

В бытовых условиях в качестве аналогового датчика для определения силы тока используется гальванометр.

Все вышеперечисленные типы устройств просты в изготовлении и использовании.

Высокие технологии современности диктуют свои условия. На данном этапе активно используются инновационные разработки и практически повсеместно внедряются электронные аналоги. Безусловным преимуществом является их экономичность, а также точность обозначений и измерений.

Интересно, что гальванометр является как самодостаточным прибором, так и служит основой для других приборов. Немаловажна и функция нулевого индикатора, которым оснащен главный герой статьи.

Разработан вариант использования гальванометров в качестве амперметра, вольтметра, устройства для фиксации сигналов осциллографа. Этот факт значительно расширяет диапазон возможностей, поэтому шкалу можно обозначить парой электрических индикаторов. В перечень величин, измеряемых гальванометром, входят также единицы измерения напряжения.

Как правильно использовать?

Гальванометрами смело можно назвать целый класс измерительной техники, характеризующийся максимальным уровнем точности и применяемый для изучения величины электрического тока, проходящего по проводникам, а также других его параметров.

Благодаря широкому модельному ряду и их функциональным возможностям данные средства измерений успешно используются на производстве, в домашних и лабораторных условиях. В этом случае простейшее приспособление можно изготовить своими руками.

Гальванометр работает как самостоятельный прибор, отображающий параметры малых токов или выполняющий функции нулевых индикаторов, так и как основной блок других приборов. Так что есть альтернатива использованию описанной техники в качестве амперметра и вольтметра. Для этого потребуется:

• подключите шунтирующий резистор параллельно прибору для определения силы тока;
• установить последовательно в цепь дополнительный резистор для измерения напряжения.

Помимо этих опций, гальванометры могут эффективно выполнять функции других приборов.

1. Термометр в паре с датчиком температуры и экспонометром при подключении фотодиода.
2. Счетчик заряда. В данном случае речь идет о работе точных баллистических гальванометров, дающих возможность определять параметры одиночных импульсов, во время которых происходит резкое движение (отталкивание) рамки.
3. Нулевой индикатор, эффективно определяющий отсутствие электрического тока в цепи при фиксации стрелки на нуле, масштабируется соответствующим образом.
4. Устройства для регистрации сигналов осциллографа. Особенности конструкции позволяют подключать гальванометр непосредственно к так называемому принтеру. В результате при фиксации импульса устройство моментально реагирует и одновременно активирует пишущее устройство, которое в свою очередь выводит все данные на бумагу.
5. Средства для выполнения оптического сканирования. Имеется в виду использование моделей зеркал в системах лазерной оптики.

На данный момент аналоговые конструкции активно сдают позиции, уступая место современным, цифровым устройствам. Согласно современной статистике, наиболее распространенными сейчас являются зеркальные гальванометры. Они до сих пор достаточно широко используются в качестве элементов различных лазерных систем. Это связано с их способностью отражать лазерные лучи.

Вне зависимости от типа измерительного оборудования, его конструкции и функциональных возможностей, к эксплуатации следует подходить грамотно. Параллельно необходимо помнить о технике безопасности, так как речь идет о работе с электричеством. Не менее важными моментами будут правила хранения и ухода за приборами, изложенные в соответствующих инструкциях.