Гальванометр
Гальванометр
— прибор для измерения силы гальванического или вообще электрического тока, основанный на наблюдении магнитных действий, производимых этим током. В 1820 г. датский ученый Эрстед (Oersted) впервые обнаружил влияние проволоки, соединяющей два полюса батареи из двадцати элементов (медь, цинк и подкисленная серной и азотной кислотами вода), на положение магнитной стрелки, находящейся поблизости от этой проволоки. Под влиянием особого электрического процесса, происходящего при этом в проволоке, процесса, названного Эрстедом «conflictus electricus» и только затем уже Ампером названного «электрическим током» (le courant électrique), магнитная стрелка отклоняется из положения своего равновесия в магнитном меридиане и устанавливается в новом положении, составляющем с первоначальным тем больший угол, чем ближе стрелка к проволоке и чем меньший угол образует направление последней с осью стрелки в её неотклоненном положении. Сочинение Эрстеда помечено 20 июля 1820 г. Меньше чем через два месяца после этого (18 сентября и затем 25 сентября) Ампер представил уже во французскую академию результаты своих исследований, в которых не только обстоятельно проверил и изучил факт, найденный Эрстедом, но и показал существование целого ряда новых явлений: действие проводника с током на другой проводник с током, действие земли на проводник с током и, наконец, действие на последний магнита. При этом Ампер дал и теорию всех открытых им и Эрстедом явлений, рассматривая магнит как собрание весьма малых замкнутых токов, окружающих частицы железа. В своем сочинении, содержащем описание опытов над подобными действиями тока, Ампер дает легко запоминаемое правило, по которому для всякого данного случая является возможным определить направление отклонения магнитной стрелки от действия тока: для наблюдателя, вообразившего себя расположенным по направлению тока так, что ток идет от ног к голове, и смотрящим на северный конец стрелки, отклонение этого конца представляется всегда влево. Ампер предложил назвать прибор, основанный на этом действии тока и способный указывать направление тока и его силу, — гальванометром. Но гальванометр Ампера не составляет еще отдельного прибора. Продолговатый гальванический элемент, расположенный своей длиной приблизительно в магнитном меридиане с магнитной стрелкой над ним, или часть проволоки, идущей от полюса элемента к другому его полюсу, протянутая горизонтально над стрелкой или под ней — вот, по Амперу, гальванометр. Первый прибор гальванометр (точнее — гальваноскоп), или, как его назвали в то время, мультипликатор, был устроен в том же году (1820) Швейгером. Мультипликатор Швейгера в первоначальном виде представлял собой один незамкнутый оборот проволоки вокруг магнитной стрелки, помещенный в вертикальной плоскости так, что стрелка приходилась в плоскости этого оборота. Концы проволоки вводились в цепь тока, и затем наблюдалось отклонение стрелки от действия этого тока. Впоследствии Швейгер и независимо от него Поггендорф устроили мультипликатор, обнаруживавший более слабые токи. Такой мультипликатор состоял из катушки тонкой изолированной проволоки, правильно намотанной на особой деревянной рамке и помещенной плоскостями своих оборотов вертикально; в середине внутри катушки находилась магнитная стрелка, подвешенная на шелковинке. Позже стали употреблять в этих приборах астатическую систему магнитных стрелок. Астатическая система — это две почти одинаковые магнитные стрелки, расположенные параллельно на некотором расстоянии одна над другой и обращенные противоположными полюсами в одну сторону. Обе стрелки скреплены вместе при помощи вертикальной проволочки. Они подвешиваются на шелковинке так, что нижняя стрелка приходится внутри катушки мультипликатора, верхняя над ней. При прохождении по катушке тока обе стрелки испытывают действие тока в одну сторону, земля же, как магнит, действует на ту и другую стрелку прямо противоположно. Таким образом, при употреблении подобной системы двух стрелок при увеличенном отклоняющем действии тока противоположное действие земного магнетизма, стремящееся возвратить эти стрелки в первоначальное их положение, получается значительно ослабленным; вследствие этого астатическая система стрелок является более чувствительной к току, чем одна магнитная стрелка. В мультипликаторе катушка может поворачиваться около вертикальной оси, что представляется нужным для градуирования этого прибора, то есть для определения значения показаний его. Отклонение стрелок из их первоначального положения при прохождении тока наблюдается при помощи особого горизонтального кружка, разделенного на градусы. Первый гальванометр, при посредстве которого сила тока непосредственно измерялась по углу производимого им отклонения магнитной стрелки, а именно сила тока была пропорциональна тангенсу этого угла, — был устроен в 1833 г. профессором Гельсингфорского университета Нервандером. Катушка, по которой проходил ток в этом гальванометре, была намотана на низеньком вертикальном цилиндре с сечением в виде круга, причем проволока шла параллельно хордам на основаниях цилиндра и параллельно оси на его боковой поверхности. Магнитная стрелка, подвешенная на шелковинке, помещалась в середине этого цилиндра. Сам цилиндр с оборотами проволоки устанавливался плоскостями этих оборотов в магнитном меридиане. Нервандер нашел из опытов, что тангенс угла отклонения стрелки прямо пропорционален силе тока, проходящего через прибор, когда отклонение не превосходило известного для каждого экземпляра прибора предела. Позднее Нервандер устроил другого вида гальванометр. В этом гальванометре на магнитную стрелку действовала катушка, приготовленная на горизонтальном цилиндре и помещенная под стрелкой перпендикулярно магнитному меридиану. Употребляемые в настоящее время гальванометры можно разделить на три группы:
- 1) гальванометры для точного определения силы тока в абсолютных единицах, а также для сравнения между собой не очень малой силы токов;
- 2) гальванометры для обнаруживания и сравнения между собой очень слабых токов, и
- 3) Г. технические.
В основе определения силы тока при помощи гальванометра лежит закон действия элемента проводника с проходящим по нему током на магнитный полюс — закон, впервые сформулированный в 1828 г. Ампером после опытов Био и Савара над взаимодействием токов и магнитов. Закон Ампера заключается в следующем. Всякий элемент проводника с током действует на магнитный полюс по направлению нормали к плоскости, проходящей через полюс и элемент проводника с силою:
f = [k·ids·m·sin(r, ds)]/r²,
где i — сила тока в проводнике, выраженная в произвольной единице, m — количество магнетизма в полюсе, также в произвольной единице, r — расстояние между элементом проводника ds и полюсом, (r, ds) — угол, составляемый линией r с элементом ds, и k — коэффициент, зависящий от выбранных единиц для силы тока, магнетизма и расстояния. Принимая для меры количества магнетизма абсолютную электромагнитную единицу, для единицы силы — дин и для единицы длины — сантиметр и полагая k = 1, получаем силу тока, выраженную в абсолютной электромагнитной единице (см. Единицы мер). Пользуясь законом Ампера, легко определить действие, испытываемое полюсом магнитной стрелки от тока, проходящего по вертикальному круговому проводнику или по катушке, плоскости оборотов которой вертикальны и для которой известны число и размеры отдельных оборотов. С другой стороны, нетрудно найти действие земного магнетизма на этот полюс, когда под влиянием тока магнитная стрелка отклонится от своего положения в магнитном меридиане и образует своей осью некоторый угол с направлением последнего. При равновесии в новом положении стрелки отклоняющее действие тока и противоположное действие на нее земного магнетизма должны быть равны друг другу. Из этого равенства двух подобных действий на полюс стрелки и получается возможность числового определения силы тока, произведшей отклонение стрелки. В наиболее простом случае, когда проводник, по которому идет ток, имеет форму круга, плоскость которого совпадает с плоскостью магнитного меридиана и радиус равен R, магнитная же стрелка очень короткая (по крайней мере в 10 — 12 раз меньше диаметра круга) и помещена в середине кругового проводника, то при отклонении магнитной стрелки от магнитного меридиана на угол α, полюс этой стрелки испытывает от тока действие, под влиянием которого стрелка стремится отклоняться дальше, равное: (2 π /R)(micos α), и тот же полюс при этом испытывает действие земного магнетизма, возвращающего стрелку назад в магнитный меридиан, равное Hmsin α; здесь H — горизонтальная составляющая силы земного магнетизма (см. Земной магнетизм), m — количество магнетизма в полюсе стрелки. Итак, для равновесия необходимо:
(2 π /R)(micos α)=Hmsin α
откуда i = (R/2 π)Htg α (1).
Зная радиус кругового проводника R, определив предварительно опытом H и наблюдая угол отклонения магнитной стрелки α, мы вычисляем по этой формуле силу тока i в абсолютных единицах. Устроенный согласно сказанному Г. называется абсолютным Г. В таких абсолютных Г., как и в Г. второй группы, магнит обычно подвешивается на коконовой нити, отклонение же его наблюдается при посредстве соединенного с магнитом легкого зеркальца, которое или отражает на горизонтальную шкалу пучок лучей света, или же отражает в зрительную трубу деления расположенной на некотором раcстоянии перед ним горизонтальной шкалы (см. Измерение углов, способ Гаусса-Поггендорфа). Абсолютный Г. был устроен Вебером, который первый начал измерять силу тока в абсолютных единицах.
Для измерения более слабых токов вместо одного оборота проволоки употребляют иногда в абсолютных Г. несколько оборотов.
Г., предназначаемые для сравнения токов, обычно устраиваются с катушкой, составленной из большого или малого числа оборотов, причем эти обороты располагаются в несколько слоев. Для токов достаточно сильных катушка изготавливается из толстой проволоки и число оборотов берется не особенно большое, для токов же более слабых катушка делается из тонкой проволоки и число оборотов в ней берется большое. В первом случае сопротивление Г. может быть малое, во втором — большое. Не зная точно размеров и положения оборотов, нельзя вычислить и действие, испытываемое полюсом магнита от тока, проходящего по катушке; это действие, однако, во всяком случае пропорционально силе тока, как это следует из закона Ампера. Если катушка расположена своими оборотами в магнитном меридиане, стрелка же магнитная очень коротка и находится в центре этой катушки, то при отклонении этой стрелки от магнитного меридиана на угол α будет также:
Gimcos α = Hmsin α, где G — величина, определяющаяся размерами и формой катушки; это постоянная гальванометра. Из приведенной формулы имеем:
i = (H/G)tg α = Ctg α (2),
то есть сила тока пропорциональна тангенсу угла отклонения стрелки. Такой Г. назван Пулье тангенс-буссолью.
Обычно опытом определяют величину коэффициента С (переводный множитель), наблюдая одновременно угол отклонения α в Г. и измеряя силу тока в абсолютных единицах при помощи вольтметра. Зная С, очевидно, возможно вычислять по углу α силу тока в абсолютных единицах.
В прежнее время довольно часто употребляли другой прием измерения тока. При отклонении стрелки от магнитного меридиана поворачивали за стрелкой около вертикальной оси катушку гальванометра до тех пор, пока снова стрелка не приходилась в плоскости оборотов катушки. Если назовем замеченный при этом угол поворота катушки через β, то при равновесии стрелки, отклоненной также на угол β, будет:
Gim = Hmsin β ,
откуда, окончательно,
i = С sin β (3).
Такой Г., в котором, следовательно, возможно определить угол поворота катушки, носит название cинуc-буссоли (Пулье). Применение синус-буссоли возможно лишь до известной силы тока. Выгода этого метода та, что при нем нет надобности брать стрелку очень короткой. Формула 3 справедлива при любой длине стрелки, формула же 2 относится лишь к случаю очень короткой стрелки. Фигура 1-я (таблица Гальванометры) изображает весьма удобную форму Г. Этот Г. может употребляться и как тангенс-буссоль, и как синус-буссоль. Г. этот — конструкции Сименса.
Фигура 2-ая таблицы представляет гальванометр Видемана, относящийся ко 2-й группе. В этом гальванометре ток проходит по двум катушкам, расстояние которых до магнита может изменяться; катушки передвигаются на салазках. Магнит в форме кольца (А) подвешен вместе с зеркальцем (m) на коконовой нити (f изображено отдельно, налево). Магнит находится в углублении, сделанном в шаре из красной меди (s). Присутствие около магнита массы хорошо проводящего металла имеет назначение успокаивать колебания магнита действием развивающихся в металле при движении магнита индукционных токов. При подобных «успокоителях», имеющих форму шара, и при магнитах наподобие колокола со срезанными двумя боками в гальванометрах Сименса достигается то, что приведенный в движение магнит сразу устанавливается в определенном положении, не совершая около него колебаний. Такие гальванометры называются апериодическими. В гальванометре Видемана и других подобных отклонение магнита наблюдается при посредстве соединенного с магнитом зеркальца.
Вычисление показало, что гальванометр будет более чувствителен, то есть будет в состоянии обнаруживать более слабые токи, когда размеры его катушки невелики и когда, самое главное, магнит весьма близок к оборотам катушки. Фигура 3-я таблицы изображает весьма чувствительный астатический гальванометр Томсона, удовлетворяющий сказанным условиям. В этом гальванометре две пары катушек очень тонкой проволоки и с большим числом оборотов. Одна пара катушек внизу, другая пара наверху. На алюминиевой проволочке, подвешенной на короткой коконовой нити, укреплена астатическая система магнитов. В этой системе две отдельные системы маленьких магнитиков, изготовляемых из очень коротких стальных пружинок. В каждой такой системе 3 или 4 магнитика обращены одноименными полюсами в одну сторону. Магнитики одной системы полюсами своими расположены противоположно магнитикам другой системы. Каждая такая система находится в отверстии, имеющемся в центре двух сложенных вместе катушек. Одна система магнитиков (на фиг. верхняя) прикреплена к задней стороне легкого зеркальца. Благодаря астатической системе магнитиков действие земного магнетизма на все магниты значительно ослабляется. Еще более можно ослабить действие земного магнетизма, помещая соответственным образом наверху гальванометра магнит. Этот магнит (астазирующий) можно опускать или поднимать, через что изменяется его влияние на подвешенную систему, то есть увеличивается или уменьшается чувствительность гальванометра.
В гальванометре Томсона возможно ток пропускать по катушкам так, что обе пары катушек действуют в одну сторону на находящиеся внутри их магнитики. Возможно и иное пользование таким гальванометром: пропускают один ток по одной паре катушек (например, нижней), другой по другой паре (верхней), причем действие этих пар катушек на их магнитики будет прямо противоположно. В таком виде употребляемый гальванометр называется дифференциальным. Гальванометр Видемана также возможно употреблять как дифференциальный.
Астатический гальванометр Томсона — очень чувствительный прибор. С подобным гальванометром, сопротивление четырех последовательно соединенных катушек которого около 5000 Ом, возможно мерить ток силой в 0,00000000002 Ампера. Ныне изготавливаются такого же типа гальванометры, сопротивление катушек которых равняется 100000 и более Ом. Эти гальванометры обнаруживают токи еще более слабые.
При измерении кратковременных токов (индукционных) в гальванометре приходится наблюдать лишь угол, на который током отбрасывается магнит. Теория показывает, что сила такого тока (точнее — количество протекшего через гальванометр электричества) пропорциональна sin(θ/2), где θ — угол, на который отброшен магнит. Для большего удобства в наблюдении угла отбрасывания магнита последний, то есть магнит, берут в таком случае тяжелым. Подобный гальванометр называется баллистическим.
Кроме различных видоизменений описанных гальванометров, употребляются еще для измерения не очень слабых токов гальванометры, устроенные по идее Гогена, в которых тангенс угла отклонения магнита много ближе к пропорциональности силы тока, чем в обыкновенных тангенс-гальванометрах, когда длина магнита взята не очень малая по сравнению с радиусом оборотов обмотки. В гальванометрах Гогена обмотка из изолированной проволоки накладывается на поверхности усеченного конуса плоскостями оборотов перпендикулярно к оси его, магнитная же стрелка своей серединой помещается в вершине такого конуса; сам конус имеет радиус основания в 2 раза больше его высоты. Как показывает вычисление, при такой форме катушки, производящей отклонение магнитной стрелки, длина стрелки имеет меньшее значение на зависимость между силой тока (i) и тангенсом угла (α) отклонения стрелки, почему закон тангенсов, то есть i = Ctg α, представляется в данном случае более строгим, чем при обыкновенной цилиндрической катушке. Оставляя в стороне описание других типов гальванометров, употреблявшихся прежде, да еще отчасти и теперь употребляемых на практике, например, в телеграфии, основанных, главным образом, на уравновешивании действия тока на магнит действием на него силы тяжести (таков, например, употребляемый в аудиториях гальванометр Бурбуза, напоминающий весы, или вертикальный телеграфный гальванометр), перейдем к рассмотрению современных технических гальванометров, показывающих непосредственно силы токов в амперах и называющихся амперметрами или, более кратко, амметрами. Обыкновенные гальванометры, в которых отклоненный магнит стремится вернуться в определенное положение под влиянием силы земного магнетизма, непригодны на практике в помещениях, в которых находятся динамо-машины. Электромагниты этих машин сильно действуют на положение магнита гальванометра даже при значительном удалении последнего от них. Вследствие этого нужны приборы, построенные на другом принципе. Существующие в настоящее время амметры можно разделить на несколько отдельных категорий. К первой категории можно отнести те амметры, в которых ток, проходящий по катушке, состоящей из большего или меньшего числа оборотов проволоки, смотря по силам тока, для измерения которых предназначается прибор, действует на намагниченную стрелку (или на систему из нескольких намагниченных стрелок), вращающуюся на оси и находящуюся между полюсами сильного постоянного подковообразного магнита. Магнитное поле, существующее между полюсами такого магнита, действует на стрелку, стремясь установить ее по направлению линий сил, то есть по направлению линии, соединяющей полюса магнита. Катушка, окружающая собой стрелку, помещается так, что ток, напротив, стремится установить стрелку перпендикулярно к этому направлению. При различных силах тока (между известными пределами для каждого прибора) стрелка будет устанавливаться в подобном магнитном поле под углом к направлению линий сил тем большим, чем больше сила проходящего по катушке тока. Положение стрелки определяется указателем, соединенным с ней и вращающимся над шкалой, деления которой расположены по дуге круга. Пропуская одновременно различной силы ток через амметр и вольтметр, определяют по вольтметру в амперах значения делений шкалы, то есть градуируют амметр. В таких приборах стрелка обычно железная. Она намагничивается действием самого магнитного поля, то есть подковообразным магнитом. При употреблении сильного подковообразного магнита его действие на стрелку настолько велико, что влияние на нее даже вблизи стоящей динамо-машины оказывается вполне незаметным. Такой тип гальванометра, или амперметра, был впервые придуман Марселем-Депре. На фиг. 5 изображен подобного типа амметр, устраиваемый ныне механиком Карпантье. В этом амметре, как видно на рисунке, изображающем внутренность прибора, употребляются два подковообразных магнита, помещенные так, что их одноименные полюса находятся рядом. Недостаток амметров этой категории тот, что со временем изменяется степень намагничивания магнитов и потому без новой градуировки показания прибора делаются неверными.
Амметры второй категории основаны на свойстве катушки, по которой проходит ток, втягивать внутрь себя железный стержень или железную трубку. Это втяжение, если только железо до насыщения намагничивается током наиболее слабым из тех, которые должны измеряться данным прибором, будет происходить с силой, пропорциональной силе тока, проходящего по катушке. В приборах этой категории сила втяжения внутрь катушки железной тонкой трубки определяется или растяжением спиральной пружины, поддерживающей трубку (амметр Кольрауша), или вращением свободного конца свернутой по винтовой линии металлической узкой ленты (амметр Айртона и Перри). Амметры третьей категории основаны на повороте действием проходящего по катушке тока эксцентрично помещенного внутри этой катушки железного незамкнутого кольца или иной формы искривленного тонкого железа. Противодействие току оказывает в этих приборах тяжесть вращающейся части. Фигура 7 показывает внешний вид одного из этой категории амметра. Фиг. 6 изображает на подобном же принципе устроенный вольтметр. Амметры второй и третьей категорий могут служить для измерения силы токов как постоянного направления, так и переменного. Для токов переменного направления устраиваются еще амметры, основанные на удлинении проволоки вследствие нагревания её от проходящего по ней тока. В. Томсон устроил амметр (нормальный), основанный на взаимодействии проводников с токами. На особом коромысле весов укреплена катушка, под ней помещается другая, неподвижная. Сила тока определяется величиной притяжения первой катушки второю, когда через обе эти катушки проходит ток. Притяжение же измеряется кручением проволоки, удерживающей коромысло. Для различной силы токов назначаются различные подобные амметры-весы. Существующие амметры соответствуют токам всевозможной силы. Есть амметры, измеряющие тысячные доли ампера (миллиамперы), но есть амметры, при посредстве которых возможно определять и тысячи ампер. Заслуживает внимания в виду большего своего удобства особого типа гальванометр-амметр устроенный Дарсонвалем. Фиг. 4 изображает этот прибор. В гальванометре Дарсонваля, в противоположность обыкновенным гальванометрам, магнит неподвижен, катушка же, по которой проходит исследуемый ток, может поворачиваться около вертикальной оси. Стальной подковообразный магнит (А) укреплен вертикально; между полюсными частями этого магнита находится железный цилиндр (b), поддерживаемый особой стойкой. Этот цилиндр имеет назначение увеличивать напряжение магнитного поля между полюсными поверхностями магнита (см. Магнитное поле). Цилиндр В окружен четырехугольной рамкой (С), составленной из оборотов проволоки. Эта рамка поддерживается двумя вертикальными, натянутыми тонкими проволоками, с которыми соединены концы проволоки рамки. Ток, вступая в один из зажимов (показанных на рисунке внизу на деревянном основании прибора), через нижнюю вертикальную проволоку входит в рамку, из неё в верхнюю вертикальную проволоку и затем через медную стойку в другой зажим. При прохождении тока по оборотам рамки магнит стремится повернуть эту рамку и установить ее плоскостями оборотов перпендикулярно линии, соединяющей полюса магнита. Этому повороту противодействует происходящее при этом закручивание двух проволок, к которым прикреплена рамка. Поворот рамки происходит тем больший, чем больше сила тока, проходящего по рамке. Этот поворот рамки наблюдается или при помощи зеркальца (показанного на рисунке), соединенного с рамкой, или при помощи указателя, также соединенного с рамкой, и особой шкалы в виде дуги круга. На показания этого гальванометра, как на показания амметров, не оказывает влияния близость магнитов или электромагнитов.
- В статье воспроизведен материал из Большого энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона.
Гальванометр, прибор для измерения гальванического тока. Конструкция различна, она основана на магнитных действиях электрического тока.
- В статье воспроизведен текст из Малой советской энциклопедии.
