Гальванометр: описание, принцип работы и разновидности

На рынке измерительных приборов производители представляют достаточно широкие модельные ряды устройств, предназначенных для замеров сопротивления, напряжения и силы тока, то есть омметров, вольтметров и амперметров. Однако в некоторых ситуациях незаменимыми становятся гальванометры, описание принципов работы которых и характеристики разновидностей можно найти на многих специализированных ресурсах. Подобное оборудование актуально в ситуациях, когда требуется измерить малые токи или выявить отсутствие напряжения в сетях, имеющих различные параметры.

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

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

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

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

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

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

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

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

У многих возникает вполне логичный вопрос, касающийся того, для чего нужен гальванометр в физике и повседневной жизни. Как уже было отмечено, этот прибор измеряет параметры электрической сети. При этом его функционирование базируется на преобразовании тока в механическое движение, в результате которого на шкале отображаются искомые показатели.

Специалистами, представляющими разные отрасли, гальванометры используются для того, чтобы получить данные, подтверждающие нахождение искомых параметров в определённых пределах. Это позволяет эффективно контролировать состояние электрических цепей и своевременно выявлять неисправности.

С учётом того, какая именно часть устройства является подвижной, гальванометры делятся на две основные категории. Это, в свою очередь, определяет их функциональность. Так, к первой разновидности относятся приборы с подвижными магнитами, а ко второй – оборудование с подвижными токопроводами. Оба типа одинаково эффективны при измерении в конкретный момент времени медленно меняющегося тока, а также тока быстро меняющего соответственного напряжения. Помимо этого, в перечень функций входит учёт общего действия тока в течение заданного временного промежутка, осуществляемый, как правило, флюметрами и баллистическими гальванометрами.

Отвечая на вопрос, как устроен подобный прибор, следует отметить, что конструкция самого простого гальванометра, появившегося на свет ещё в самом начале XIX столетия, включала в себя магнитный указатель (стрелку), которая подвешена на тонкой нити и помещена внутри неподвижной катушки. Как только в этой проволочной конструкции появляется электрический ток, стрелка отклоняется от своего исходного положения. При отсутствии тока в системе указатель будет оставаться неподвижным, то есть стрелка показывает на нулевую отметку.

Многие модели современных гальванометров представляют собой магнитоэлектрические устройства, в которых используется действие электрического тока. Их стандартная конструкция предусматривает наличие следующих элементов.

1. Постоянный магнит.
2. Поворачивающаяся катушка, расположенная между полюсами.
3. Облегчённый указатель (стрелка), который соединён с катушкой и образует с ней одну ось вращения. Если в последней отсутствует ток, то указатель фиксируется на нулевой отметке при помощи возвратной пружины.

При прохождении через катушку электрического тока в ней сразу же появляется магнитное поле. Параллельно при этом возникает взаимодействие между ним и полем постоянного магнита. При этом обмотка вместе с указателем начинает отклоняться от нуля, что является сигнализатором наличия тока в системе. Как только электрический ток исчезает, магнитное поле катушки тоже пропадает. В этот момент под действием пружины стрелка возвращается в исходное положение. И речь в данном случае идёт о визуальной демонстрации отсутствия тока в цепи. Другими словами, выполняется одна из функций гальванометра, то есть проверка наличия напряжения.

Так, мобильные устройства оснащены подвижной рамкой, которая фиксируется на растяжках, а также интегрированной шкалой и стрелочным или световым указателем. Стационарные модели гальванометров устанавливают по уровню, а на рамке при этом закрепляется небольшое по размерам зеркало. Такие устройства комплектуются выносной шкалой со световым указателем, характеризующейся максимальной чувствительностью. При помощи отражающегося от зеркала и параллельно перемещающегося по шкале луча света осуществляется контроль углового движения рамки. Такие приборы рамочного типа на практике используют в качестве нуль-индикаторов, то есть приборов, фиксирующих отсутствие в сети электрического тока или напряжения. Они позволяют в условиях лабораторий осуществлять фиксацию параметров при минимальных показателях I и U.

Практически все гальванометры оснащены магнитными шунтами, положение которых регулируется наружной ручкой для того, чтобы изменялся показатель индукции в рабочем зазоре. Подобным образом можно изменять значения искомых параметров не менее, чем в три раза с учётом требований актуальных стандартов. За перемещение указателя в обе стороны от нулевой отметки отвечает специальный корректор.

Наиболее актуально это для высокочувствительных приборов. Так, для стационарных моделей измерительной техники часто сооружают специальную основу (фундамент), надёжно предотвращающую механические воздействия. Утечки тока, как уже было отмечено, предотвращают за счёт экранирования. Помимо всего прочего, необходимо отметить, что каждый тип современных измерительных приборов имеет свои особенности конструкции и принципа действия.

Независимо от специфики конструкции и спектра выполняемых операций, любой гальванометр – это электроизмерительное устройство, характеризующееся повышенной чувствительностью и используемое для определения силы тока незначительной величины. При этом многих интересует, в чём именно заключается разница между этими образцами измерительной техники и классическими амперметрами. Прежде всего следует отметить, что последние представляют собой оборудование для нахождения величины силы тока, измеряемой в амперах.

В отличие от микроамперметра, который тоже способен определять показатели сравнительно небольших токов, шкала гальванометра градуируется несколькими электрическими величинами. В их перечень входят в том числе и единицы напряжения.

Ещё один важный момент заключается в том, что описываемые измерительные приборы могут иметь условную градуировку. Чаще всего такую шкалу можно встретить в ситуациях, при которых гальванометр выполняет функции нуль-индикатора.

Невзирая на то, что все описываемые измерительные приборы имеют одинаковый принцип действия, существует целый перечень их разновидностей. При этом каждый вид устройств отличается от других конструкцией и функционалом. Богатый выбор позволяет приобрести оборудование, в полной мере соответствующее всем требованиям и предпочтениям потенциального покупателя. В то же время некоторым достаточно тяжело разобраться в разнообразии доступных моделей и таких обозначениях, как, к примеру, М-001.

Так, гальванометры М195 и М195/1 предназначены для нулевых измерений. Стоит отметить, что все представленные на рынке образцы оборудования отличаются друг от друга прежде всего конструктивно. Магнитоэлектрические приборы имеют электропроводящую рамку, закрепляемую в процессе эксплуатации на специальной оси, размещённой в магнитном поле. Отклонение указателя от нулевого положения определяется величиной подаваемого тока, индукцией и жёсткостью возвратной пружины.

Особенность тангенциальных гальванометров – это наличие компаса, необходимого для сравнения магнитных полей электрического тока и Земли. Название устройства получили из-за того, что их функционирование основано на тангенциальном законе магнетизма. Катушка в данном случае выполнена из меди и имеет изоляцию. Сама рамка располагается вертикально и в процессе эксплуатации прибора проворачивается вокруг своей оси. Компас при этом находится в горизонтальной плоскости и в самом центре круглой шкалы. Перед началом работы тангенциальный гальванометр располагают таким образом, чтобы стрелка компаса совпадала с плоскостью обмотки. После этого через неё пропускают ток, создающий магнитное поле на оси катушки.

В результате указатель устройства реагирует на оба активных поля и отклоняется на определённый угол от нулевой отметки, который является тангенсом отношения искусственного и естественного полей.

Помимо уже описанных, существуют также следующие разновидности гальванометров.

• Электромагнитные приборы, имеющие довольно простую конструкцию, главными элементами которой являются неподвижная катушка и свободный магнит или же сердечник. При прохождении электрического тока этот подвижный элемент поворачивается или же втягивается в катушку. Основным минусом таких моделей стал нелинейность шкалы, что создаёт трудности при градуировке. В подавляющем большинстве случаев электромагнитные гальванометры эксплуатируются в качестве амперметров переменного тока.
• Электродинамические устройства, в которых катушки выполняют функции статичных и подвижных элементов.
• Зеркальные, отличающиеся от подавляющего большинства своих «собратьев» максимальной точностью. В этом оборудовании при снятии показаний используются небольшие зеркала и световой луч, отражаемый ими. В своё время данный тип гальванометров достаточно широко использовался.
• Вибрационные модели, являющиеся вариацией на тему зеркальных измерительных приборов. Одна из их основных особенностей – это компактные размеры и малый вес. Настройка устройства осуществляется посредством натяжения пружины.
• Тепловые гальванометры, конструкция которых включает в себя систему рычагов и проводник. При прохождении через последний электрического тока его длина изменяется (увеличивается). Параллельно с этим рычаги преобразуют данную деформацию проводника в отклонение стрелки-указателя.
• Апериодические. В данном случае суть функционирования оборудования сводится к тому, что после каждого отклонения стрелка гальванометра возвращается в положение равновесия.
• Баллистические устройства, используемые для определения параметров одиночных электрических импульсов. Подвижные элементы таких моделей характеризуются повышенной инерцией, что отличает их от остальных модификаций.

Помимо всего перечисленного, стоит уделить внимание также струнным гальванометрам. Речь в данном случае идёт об одной из первых конструкций, которая изначально применялась в медицине. Создателем прибора в 1895 году стал голландский физиолог Виллем Эйнтховен. Измерительное устройство состояло из кварцевой нити, которая за счёт своей минимальной толщины была способна совершать колебания под действием воздуха. Она удерживалась в магнитном поле под напряжением.

Все перечисленные разновидности гальванометров характеризуются простотой конструкции и эксплуатации. Однако за счёт активного внедрения передовых технологий и инновационных технических решений в наши дни практически повсеместно используются электронные измерительные приборы. Их основными преимуществами являются надёжность и, конечно же, максимальная точность.

Гальванометры можно с уверенностью назвать целым классом измерительного оборудования, характеризующегося максимальным уровнем точности и используемого для исследований величины электрического тока, проходящего через проводники, а также других его параметров. За счёт широкого ассортимента моделей и их функциональных возможностей эти измерительные приборы успешно эксплуатируются на производстве, в быту и в лабораторных условиях. При этом простейшее устройство можно изготовить своими руками.

Гальванометр работает как в качестве самостоятельного оборудования, отображающего параметры малых токов или выполняющего функции нуль-индикаторов, так и в виде основного блока других приборов. Так, существует вариант использования описываемой техники в качестве амперметра и вольтметра. Для этого потребуется:

• подключить шунтирующее сопротивление параллельно с устройством для определения силы тока в амперах;
• установить в цепи добавочное сопротивление последовательно для измерения напряжения.

Помимо указанных вариантов, гальванометры способны эффективно выполнять функции других приборов.

1. Термометра в тандеме с датчиком температуры и экспонометра при подключении фотодиода.
2. Измерителя заряда. Речь в данном случае идёт об эксплуатации именно баллистических гальванометров, предоставляющих возможность определить параметры одиночных импульсов, при прохождении которых происходит резкое движение (отброс) рамки.
3. Индикатора нуля, эффективно определяющий отсутствие электрического тока в цепи при фиксации указателя на нулевой отметке, градуированной соответствующим образом шкалы.
4. Устройства для записи сигналов осциллографа. Конструктивные особенности позволяют подключить гальванометр непосредственно к так называемому писчику. В итоге при фиксации любого импульса прибор моментально реагирует и параллельно активирует пишущее устройство, которое, в свою очередь, отображает все данные на бумаге.
5. Средства для выполнения оптической развёртки. Имеется в виду использование зеркальных моделей в системах лазерной оптики.

На данный момент аналоговые конструкции активно сдают свои позиции, уступая место современным, цифровым устройствам. В соответствии с актуальными статистическими данными, наиболее распространёнными сейчас являются зеркальные гальванометры. Они до сих пор достаточно широко эксплуатируются в качестве элементов различных лазерных установок. Это обусловлено их способностью отклонять лучи лазера.

Независимо от типа измерительного оборудования, его конструкции и функциональных возможностей, к его эксплуатации следует подходить грамотно. Параллельно требуется помнить о технике безопасности, поскольку речь идёт о работе с электрическим током. Не менее важными моментами будут правила хранения и обслуживания приборов, закреплённые в соответствующих инструкциях.

В следующем видео вы подробно узнаете о том, что такое вертикальный гальванометр и какие его принципе работы.