магнитного поля Земли. Когда ток проходит через катушку в ней создается магнитное поле, перпендикулярное первому, силой:Реферат на тему:
Схема работы гальванометра
Гальвано́метр (гальвано — от фамилии учёного Луиджи Гальвани и др.-греч. metréo — 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.
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).
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.
В качестве и подвижного, и неподвижного элемента используются катушки с током.
Вибрационные гальванометры переменного тока предназначены для определения малых значений сила тока или его напряжения. Подвижная часть подобных приборов имеет достаточно низкий момент инерции.
Апериодическим называют гальванометр, стрелка которого после каждого отклонения становится тотчас в положение равновесия, без предварительных колебаний, как это бывает в простом гальванометре[2].
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.
Гальванометр является базовым блоком для построения других измерительных приборов. На основе гальванометра можно построить амперметр и вольтметр постоянного тока с произвольным пределом измерения:
Если к гальванометру не подключено никаких дополнительных резисторов, то его можно считать как амперметром, так и вольтметром (в зависимости от того, как гальванометр включен в цепь и как интерпретируются показания).
В сочетании с датчиком света (фотодиодом) или температуры (термоэлементом), гальванометр может быть использован в качестве, соответственно, экспонометра в фотографии, измерителя разности температур и т. п.
Для измерения заряда, протекающего через гальванометр в виде короткого одиночного импульса, используется баллистический гальванометр, в котором наблюдают не отклонение рамки, а её максимальный отброс после прохождения импульса.
Гальванометр используется также в качестве указателя (нуль-индикатора) отсутствия тока (напряжения) в электрических цепях. 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 кГц.
Самое раннее упоминание о приборе сделал Йохан Швейгер в университете Халле 16 сентября 1820 года. Название «гальванометр» произошло от фамилии учёного Луиджи Гальвани. Раннее применение этих инструментов для измерений и записи связано с именем Уильяма Томсона (лорда Кельвина). Андре Мари Ампер также участвовал в улучшении конструкции гальванометров.
Долгое время стрелочные гальванометры оставались наиболее массовой разновидностью электроизмерительных приборов.
Зеркальные гальванометры использовались как ресиверы в ранних трансатлантических телеграфах.
Направляя отражённый от зеркальца луч на фотоплёнку, в ранних осциллографах получали графики силы тока от времени. Для этих целей также изготавливались двухкоординатные зеркальные гальванометры.
Позднее некоторые из этих устройств применялись для эффектной развёртки лазерных лучей в виде фигур Лиссажу в цветомузыкальных установках.
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 делаются устройства для отклонения луча лазера в лазерной технологии и установках для лазерных шоу (англ.).
wreferat.baza-referat.ru
Схема работы гальванометра Гальвано́метр (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.
Отклонение магнитной стрелки под действием тока, протекающего в проводнике было впервые описано Гансом Эрстедом в 1820 году. Это явление рассматривалось, как один из способов измерения электрического тока. Самое раннее упоминание о гальванометре сделал Иоганн Швейгер в университете Галле 16 сентября 1820 года. Термин гальванометр впервые появился в 1836 году по фамилии ученого Луиджи Гальвани.
Первоначально в инструментах использовалась сила магнитного поля Земли и они назывались тангенциальными гальванометрами. Перед работой их необходимо было ориентировать в пространстве. Позже был разработан астатический гальванометр, в котором использовались противоположно направленные магниты для того, чтобы исключить влияние магнитного поля Земли. Наиболее чувствительный гальванометр - гальванометр Томсона или зеркальный гальванометр был изобретен Уильямом Томсоном(Лордом Кельвином) и запатентован им в 1858 году. Вместо магнитной стрелки он использовал легкое маленькое зеркало с магнитной пылью, подвешенное на нити. Под действием даже небольших токов зеркало отклоняло луч света, играющего роль стрелки.
Ранние гальванометры с подвижным магнитом имели существенный недостаток: любые магниты или железные предметы воздействовали на гальванометр и отклонение стрелки не было прямо пропорционально протекающему току. В 1882 году Жак-Арсен д'Арсонваль и Марсель Депре разработали гальванометр с неподвижным магнитом и движущейся проволочной катушкой, подвешенной на тонких проводах. В железной трубке внутри катушки сосредотачивалось магнитное поле. К катушке прикреплялось легкое зеркало, которое отклоняло луч света под действием тока в катушке. Получившийся гальванометр был очень чувствителен и позволял обнаружить ток силой 10 микроампер.
Эдвард Уэстон усовершенствовал эту конструкцию. Он заменил тонкие провода на спиральные пружины, как в балансом колесе наручных часов. Он разработал метод стабилизации магнитного поля постоянного магнита, так что точность инструмента не уменьшалась с течением времени. Уэстон заменил зеркало на стрелку и использовал плоское зеркало под стрелкой для исключения параллакса при наблюдениях.
В 1888 году Уэстон запатентовал свое устройство, который стал стандартным прибором в электрооборудовании. Такая конструкция и сегодня используется в гальванометрах с подвижной катушкой Долгое время стрелочные гальванометры оставались наиболее массовой разновидностью электроизмерительных приборов.
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.
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).
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. 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.
Гальванометр ориентирован так, что плоскость катушки параллельна магнитному меридиану, т.е горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Когда ток проходит через катушку в ней создается магнитное поле, перпендикулярное первому, силой:
где I - ток в амперах, n - число витков катушки и r - радиус катушки. Эти два перпендикулярных поля векторно складываются и стрелка компаса отклоняется на угол:
Из тангенциального закона, 
, т.е.
или
или 
, где K - понижающий коэффициент тангенциального гальванометра.
Одна из проблем тангенциального гальванометра - сложности при измерении очень больших и очень малых токов.
Тангенциальный гальванометр также можно использовать для измерения горизонтальной составляющей магнитного 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 подается напряжение, которое регулируют реостатом до такой величины, чтобы стрелка отклонилась на угол 45 градусов и величина магнитного поля на оси катушки становится равной горизонтальной составляющей геомагнитного поля. Это поле можно рассчитать через ток, измеренный амперметром, число витков катушки и ее радиус.
В качестве и подвижного, и неподвижного элемента используются катушки с током.
Вибрационные гальванометры являются разновидностью зеркальных гальванометров. Собственная частота колебаний движущихся частей настроена на строго определенную частоту, обычно 50 или 60 Гц. Возможны более высокие частоты до 1 кГц. 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
Апериодическим называют гальванометр, стрелка которого после каждого отклонения становится тотчас в положение равновесия, без предварительных колебаний, как это бывает в простом гальванометре[2].
Современный зеркальный гальванометр от фирмы Scanlab  |
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.
Гальванометр является базовым блоком для построения других измерительных приборов. На основе гальванометра можно построить амперметр и вольтметр постоянного тока с произвольным пределом измерения:
Если к гальванометру не подключено никаких дополнительных резисторов, то его можно считать как амперметром, так и вольтметром (в зависимости от того, как гальванометр включен в цепь и как интерпретируются показания).
В сочетании с датчиком света (фотодиодом) или температуры (термоэлементом), гальванометр может быть использован в качестве, соответственно, экспонометра в фотографии, измерителя разности температур и т. п.
Для измерения заряда, протекающего через гальванометр в виде короткого одиночного импульса, используется баллистический гальванометр, в котором наблюдают не отклонение рамки, а её максимальный отброс после прохождения импульса.
Гальванометр используется также в качестве указателя (нуль-индикатора) отсутствия тока (напряжения) в электрических цепях. 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 кГц.
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 делаются устройства для отклонения луча лазера в лазерной технологии и установках для лазерных шоу (англ.).
dic.academic.ru
Первый подковообразный электромагнит сделал в 1825 г. американец Уильям Стерджен (1783 — 4850). Этот электромагнит немало удивил исследователей быстротой намагничивания и размагничивания бруска мягкого железа при включении или выключении тока в проводнике, которым был обмотан брусок.
Конструкцию Стерджена улучшили одновременно и независимо друг от друга в 1831 г. Молль (1785—1838) и американец Джозеф Генри (1797—1878).
За первой, написанной на латинском языке статьей Эрстеда последовала вторая, написанная по-немецки, которая тем не менее осталась малоизвестной. В ней Эрстед показал взаимность открытого им электромагнитного явления. Он подвешивал к проволоке маленькую батарейку, замыкал цепь и регистрировал ее вращение при приближении к ней магнита. То же самое, независимо от Эрстеда, обнаружил и Ампер, которому обычно это открытие и приписывается.
Еще проще продемонстрировал действие магнита на подвижный элемент тока Дэви, приблизив по совету Араго полюс магнита к электрической дуге. Стерджен видоизменил опыт Дэви и придал своему эксперименту тот вид, в каком и сегодня он демонстрируется на уроках физики, когда дуга непрерывно вращается в магнитном поле.
Но первым физиком, которому удалось получить вращение проводника с током в магнитном поле, был Фарадей. В 1821 г. он сконструировал очень простое приспособление: конец подвешенного проводника был опущен в резервуар с ртутью, в который снизу входил слегка выступающий над поверхностью ртути вертикальный магнит. При пропускании тока через ртуть и проводник последний начинал вращаться вокруг магнита. Опыт Фарадея, блестяще модифицированный Ампером, бесчисленными способами варьировался затем на протяжении всего XIX века.
Здесь мы укажем лишь на описанное в 1823 г. «колесо Барлоу», потому что оно представляет собой разновидность электрического мотора, который вполне может служить еще и сегодня педагогам для учебных целей. Это металлическое колесо с горизонтальной осью, край которого погружен в ванночку с ртутью и находится между полюсами подковообразного железного магнита. Если от оси колеса к его периферии и далее через ртуть течет ток, колесо вращается.
Правила Эрстеда об отклонении магнитной стрелки и соответствующее правило Ампера указывали на то, что отклонение возрастает, если тот же ток пропускать и над магнитной стрелкой и под ней. Это явление, предсказанное Лапласом и хорошо изученное Ампером, было использовано в 1820 г. Иоганном Швейггером (1779—1857) при конструировании мультипликатора, представлявшего собой прямоугольную рамку, обмотанную несколько раз проводом, по которому протекал ток. В середине рамки помещалась магнитная стрелка.
Почти одновременно Авогадро и Микелотти построили другой тип мультипликатора, несомненно, гораздо менее удачный, чем швейггеров-ский; описание его опубликовано в 1823 г. Однако в мультипликаторе Авогадро и Микелотти имелось одно новшество: магнитная стрелка, подвешенная на нити, вращалась над разграфленным сектором, а весь аппарат помещался под стеклянным колпаком.
Вначале казалось, что мультипликатор представляет собой предельно чувствительный гальванометр, но вскоре обнаружили, что его можно значительно улучшить. Уже в 1821 г. Ампер сконструировал «астатический аппарат», как он его назвал, подобный тому, который применял Вассалли Эанди, а еще раньше, в 1797 г., Джон Тремери.
Прибор состоял из двух параллельных жестко связанных магнитных стрелок с полюсами, направленными в противоположные стороны. Вся система подвешивалась на острие, и можно было наблюдать, как она поворачивалась при пропускании электрического тока через параллельный проводник, расположенный очень близко к нижней стрелке. Таким способом Ампер доказал, что магнитная стрелка, когда она не подвержена магнитному влиянию Земли, располагается перпендикулярно току.
Леопольдо Нобили (1784—1835) пришла удачная мысль сочетать астатический аппарат Ампера с подвеской на нити, как у Авогадро и Микелотти; таким образом он пришел к своему известному астатическому гальванометру, первое описание которого он представил на заседании Моденской Академии наук 13 мая 1825 г. Чтобы дать представление о чувствительности этого инструмента, Нобили замечает, что, если соединить концы провода гальванометра железной проволокой, достаточно согреть один из стыков пальцами, чтобы стрелка отклонилась на 90°.
Гальванометр Нобили в течение нескольких десятилетий оставался самым чувствительным измерительным прибором в физических лабораториях. В 1828 г. Эрстед решил улучшить его, применив вспомогательный подковообразный магнит. Эта попытка успехом не увенчалась, но о ней все же следует упомянуть как о первом приборе с вспомогательным полем.
Эти измерительные приборы были значительно усовершенствованы лишь с появлением в 1837 г. тангенс-буссоли Клода Пуйе (1790—1868) и синус-буссоли, употреблявшейся уже за год до того тем же Пуйе. Возможно, Пуйе и сам не знал точно теории действия своего инструмента, которая была дана в 1840 г. Вильгельмом Вебером (1804—1891).
В 1837 г. А. С. Беккерель изобрел «электромагнитные весы», получившие распространение лишь во второй половине столетия. Затем появились другие типы тангенс-буссолей: Гельмгольца (1849 г.), Гогэна (1853 г.), Кольрауша (1882 г.). Тем временем Поггендорф с 1826 г. ввел метод зеркального отсчета, развитый затем Гауссом (1832 г.) и примененный в зеркальном гальванометре Вебером в 1846 г.
С большим энтузиазмом был принят гальванометр, изобретенный в 1886 г. Д'Арсонвалем (1851—1940), в котором, как известно, измеряемый ток проходит через легкую подвижную катушку, помещенную в магнитном поле.
Марио Льецци "История физики"
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.electrolibrary.info
Дата добавления: 08.08.2011
www.km.ru
Содержание:
В электротехнике существуют различные измерительные приборы, с помощью которых можно выполнить замеры силы тока, напряжения и сопротивления. Соответственно, это амперметр, вольтметр и омметр. В некоторых случаях, когда требуется обнаружить и измерить очень малые электрические токи, напряжения и количество электричества, применяется гальванометр, обладающий высокой чувствительностью. Он также указывает на отсутствие напряжения или тока в цепях с различными электрическими параметрами.
Конструкция простейшего гальванометра, созданного еще в начале 19-го века, включала в себя магнитную стрелку, подвешенную на тонкой нити и помещенную внутрь неподвижной проволочной катушки. При появлении в катушке электрического тока, стрелка начинает отклоняться от своей первоначальной позиции. Если же ток отсутствует, то стрелка будет находиться в одинаковом положении с меридианом этого места. То есть, она показывает нулевую отметку.
Многие гальванометры являются магнитоэлектрическими приборами. В конструкцию стандартного прибора входит постоянный магнит, катушка, установленная между магнитными полюсами, облегченный указатель, соединенный с катушкой и образующий с ней единую ось вращения. Сам указатель фиксируется на нулевой отметке с помощью пружины при отсутствии в катушке электрического тока.
Практически каждый гальванометр имеет один и тот же принцип работы.
Все движения указателя отображаются на шкале, откалиброванной в нужных единицах измерения. Помимо единиц электрического тока, на нее могут быть нанесены и другие величины, например, милливольты. Нередко шкала гальванометра размечается довольно условно.
Устройства, используемые в цепях постоянного тока, могут быть переносными. Они имеют подвижную рамку, закрепленную на растяжках, встроенную шкалу и указатель стрелочного или светового типа.
Стационарный гальванометр устанавливается по уровню. На рамке закрепляется небольшое зеркальце. Эти приборы оборудуются выносной шкалой, обеспечивающей повышенную чувствительность и световым указателем. Угловое перемещение рамки контролируется положением отраженного от зеркала светового луча, отклоняющегося на шкале. Подобные рамочные устройства используются как нуль-индикаторы. В их помощью в лабораторных условиях проводятся измерения малых токов и напряжений.
Практически каждый гальванометр оборудован магнитными шунтами. Их положение регулируется с помощью ручки, выведенной наружу. За счет этого в рабочем зазоре изменяется величина магнитной индукции. Подобная регулировка позволяет изменять значения измеряемых величин как минимум в три раза в соответствии с требованиями стандартов. В маркировке и технической документации прибора эти величины указываются в обоих крайних положениях шунта – при полном вводе и при полном выводе. В схеме гальванометра предусмотрен корректор, с помощью которого указатель перемещается от нулевой отметки в ту или иную сторону.
Многие устройства оборудованы специальными защитными приспособлениями. В их число входит арретир, фиксирующий подвижную часть на подвесе во время переноски прибора. Высокочувствительные гальванометры требуют защиты от помех. Для стационарных устройств оборудуются специальные фундаменты, предотвращающие механические воздействия. Против утечек тока используется электростатическое экранирование.
Следует отдельно рассмотреть баллистический гальванометр. Данный прибор позволяет измерить количество электричества, передаваемого короткими токовыми импульсами в течение долей секунды. Для того чтобы получить точные данные, необходимо увеличить момент инерции подвижной части за счет установки специального диска.
Несмотря на общий принцип работы, данные измерительные устройства отличаются между собой в соответствии с особенностями конструкции каждого из них. Например, магнитоэлектрический гальванометр выдает показания с помощью специальной электропроводящей рамки, закрепленной на оси и помещенной в поле действия постоянного магнита.
В нулевом положении ее удерживает специальная пружина. Когда по рамке протекает ток, происходит ее отклонение на определенный угол. На величину угла оказывает влияние не только сила тока, но и жесткость пружины, а также индукция магнитного поля. Показав высокую чувствительность, эти приборы позволяют получить максимально точные результаты.
Данные измерительные устройства бывают еще нескольких видов:
electric-220.ru
Схема работы гальванометра Гальвано́метр (от фамилии учёного Луиджи Гальвани и слова др.-греч. μετρέω — «измеряю») — высокочувствительный прибор для измерения силы малых постоянных электрических токов. В отличие от обычных микроамперметров шкала гальванометра может быть проградуирована не только в единицах силы тока, но и в единицах напряжения, единицах других физических величин. Шкала может иметь условную, безразмерную градуировку, например, при использовании в качестве нуль-индикаторов.
В июне 1820 года Ганс Эрстед опубликовал описание опыта, для выполнения которого нужно:
Результат: стрелка отклонится от направления магнитного меридиана Земли.
Для усиления действия тока Иоганн Швайггер:
Полученное устройство получило название «мультипликатор» и было продемонстрировано в университете Галле 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.
В 1821 году Поггендорф усовершенствовал конструкцию «мультипликатора», снабдив его измерительной шкалой.
В 1823 году Авогадро и Микелотти предложили «мультипликатор», в котором стрелка была подвешена на шёлковой нити над разграфленным (линованым) сектором (прообраз шкалы), а всё устройство помещалось под стеклянным колпаком[1].
Ещё 1821 году Ампер сконструировал «астатический аппарат», представлявший собой две жёстко связанные параллельные магнитные стрелки. Полюса стрелок были направлены в противоположные стороны, поэтому направление стрелок не зависело от направления магнитного поля Земли. Нити были подвешенны над проводником. Устройство показало, что магнитная стрелка, избавленная от влияния магнитного поля Земли, ориентируется перпендикулярно проводнику с током.
13 мая 1825 года на заседании Моденской академии Леопольдо Нобили[1] представил первый «астатический гальванометр» (см. рисунок). Аппарат представлял собой сочетание «астатического аппарата» Ампера с подвеской на нити. Этот прибор на протяжении нескольких десятков лет оставался наиболее чувствительной разновидностью гальванометров.
В 1826 году Поггендорф ввёл метод зеркального отсчёта, развитый впоследствии Гауссом (1832) и применённый в «зеркальном гальванометре» Вебером (1846).
В 1825 году Антуан Беккерель предложил эскиз «дифференциального гальванометра».
В 1833 году Нервандер предложил первый гальванометр, отградуированный в абсолютных единицах[2].
В 1837 году Клод Пулье предложил «тангенциальный гальванометр» или «тангенс-буссоль». Маленькая магнитная стрелка с длинным медным указателем, была установлена на игле над расчерченным на градусы кругом, была помещена в центре вертикального кольца из проводника диаметром 40‑50 см. Перед началом измерений следовало сориентировать кольцо в плоскости магнитного меридиана Земли.
В 1840 году Вебер использовал усовершенствованную модель «тангенциального гальванометра»[3], в котором вместо кольца из проводника использовались две соединённые последовательно катушки с проводником расположенные в параллельных плоскостях, а магнитная стрелка помещалась межу ними, что обеспечивало более равномерное распределение магнитного поля, создаваемого током.
Вебер создал теорию «тангенциального гальванометра», показав как электрический ток может быть измерен в абсолютных единицах через его действие на горизонтально подвешенную стрелку после того как горизонтальный компонент магнитного поля Земли в абсолютных единицах был установлен. С этого момента до приблизительно 1890 годов для прецизионных (обладающий высокой точностью) измерений электрического тока использовались различные виды «тангенциальных гальванометров». Электрические лаборатории в те времена не использовали железных конструкций искажающих магнитное поле Земли.
Различные типы «тангенциальных гальванометров» предлагали Гельмгольц (1849), Кольрауш (1882).
В 1846 году Вебер представил «электродинамический гальванометр», у которого между двумя катушками, расположенными вертикально в параллельных плоскостях, вместо компаса подвешивалась на ленте третья катушка меньшего размера, намотанная бифилярно[4]. Все три катушки соединялись последовательно. Подвес ориентировал подвижную катушку перпендикулярно плоскости, в которой установлены неподвижные катушки и обеспечивал противодействующий момент. При протекании тока в цепи подвижная катушка стремилась ориентироваться параллельно остальным. В качестве указателя использовалось зеркало.
В 1858 году Уильям Томсон (лорд Кельвин) разработал и запатентовал свой «зеркальный гальванометр» (см. рисунок) для подводного трансатлантического телеграфа. Гальванометр представлял собой[5] массивную вертикальную катушку из медной проволоки в шелковой изоляции в центре которой имелась небольшая полость. Четыре миниатюрных магнита были приклеены к оборотной стороне зеркала, подвешенного на шёлковой нити в этой полости. Магниты образовывали астатическую систему, влияние магнитного поля Земли дополнительно компенсировалось установкой постоянного магнита наверху прибора. Изменяя высоту магнита можно было регулировать чувствительность прибора. При пропускании тока через катушку зеркало поворачивалось, отклоняя падающий луч света. При этом сопротивление воздуха, испытываемое зеркалом при вращении, за счёт небольшого зазора между краем зеркала и стенками полости позволяло демпфировать случайные колебания измеряемого сигнала. Гальванометр отличался очень высокой чувствительностью. Проекция пятна света на экран позволяла наблюдателю фиксировать колебания уровня сигнала при передаче сообщения независимо от смещения нулевого положения и при этом, за счёт эффективного успокоения, позволял принимать больше сигналов за единицу времени. Прибор использовался в составе трансатлантического телеграфа до 1870 года.
Марсель Депре предложил поместить железную стрелку между полюсами сильного постоянного магнита, поле которого ориентирует стрелку аналогично действию магнитного поля Земли. Катушка, окружающая собой стрелку, помещается так, что ток, напротив, стремится установить стрелку перпендикулярно к этому направлению. Таким прибором можно было пользоваться вблизи металлоконструкций и даже работающих динамо-машин[2].
В 1881 году[6]Жак-Арсен д’Арсонваль и Марсель Депре разработали гальванометр[7] (см. рисунок) с подвижной катушкой из проводника, намотанного на прямоугольную рамку и подвешенного между полюсами постоянного магнита. Измеряемый ток подводился к катушке по металлической ленте на которой она была подвешена, противодействующий момент создавался винтовой пружиной[8]. В качестве указателя использовалось зеркало, закреплённое на катушке. Внутрь катушки был помещён неподвижный цилиндр из мягкого железа, что обеспечило равномерное распределение магнитного потока для различных положений катушки. Благодаря этому отклонение рамки прямо пропорционально току в катушке, и гальванометр Д’Арсонваля-Депре, в отличие от более ранних конструкций, имеет равномерную шкалу. Этот прибор послужил первым образцом магнитоэлектрического измерительного механизма.
В 1888 году Эдвард Вестон внёс[9] ряд усовершенствований в конструкцию Д’Арсонваля-Депре:
Последние два решения характерны для относительно более грубых приборов со стрелочным указателем.
Чаще всего гальванометр используют в качестве аналогового измерительного прибора. Используется для измерения силы 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.
Магнитоэлектрический гальванометр[10] 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.
Гальванометр ориентирован так, что плоскость катушки параллельна магнитному меридиану Земли, то есть горизонтальной составляющей BH{\displaystyle B_{H}} магнитного поля Земли. Когда ток проходит через катушку, в катушке создается магнитное поле, перпендикулярное катушке. Величина магнитного поля:
B=μ0nI2r,{\displaystyle B={\mu _{0}nI \over 2r}\,,}где:
Два перпендикулярных поля векторно складываются и стрелка компаса отклоняется на угол θ{\displaystyle \theta }, равный:
θ=arctgBBH.{\displaystyle \theta =\operatorname {arctg} {\frac {B}{B_{H}}}\,.}Из тангенциального закона
B=BHtgθ,{\displaystyle B=B_{H}\operatorname {tg} \theta \,,}то есть
μ0nI2r=BHtgθ,{\displaystyle {\mu _{0}nI \over 2r}=B_{H}\operatorname {tg} \theta \,,}или
I=(2rBHμ0n)tgθ{\displaystyle I=\left({\frac {2rB_{H}}{\mu _{0}n}}\right)\operatorname {tg} \theta }или
I=Ktgθ,{\displaystyle I=K\operatorname {tg} \theta \,,}где K{\displaystyle K} — понижающий коэффициент тангенциального гальванометра.
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 кГц. 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[11].
Современный зеркальный гальванометр от фирмы Scanlab 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 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.
Гальванометр является базовым блоком для построения других измерительных приборов. На основе гальванометра можно построить амперметр и вольтметр постоянного тока с произвольным пределом измерения.
Для получения амперметра необходимо подключить шунтирующий резистор параллельно гальванометру.
Для получения вольтметра необходимо подключить гасящий резистор (добавочное сопротивление) последовательно с гальванометром.
Если к гальванометру не подключено никаких дополнительных резисторов, то его можно считать как амперметром, так и вольтметром (в зависимости от того, как гальванометр включен в цепь и как интерпретируются показания).
В сочетании с датчиком света (фотодиодом) или температуры (термоэлементом), гальванометр может быть использован в качестве, соответственно, экспонометра в фотографии, измерителя разности температур и т. п.
Для измерения заряда, протекающего через гальванометр в виде короткого одиночного импульса, используется баллистический гальванометр, в котором наблюдают не отклонение рамки, а её максимальный отброс после прохождения импульса.
Гальванометр используется также в качестве указателя (нуль-индикатора) отсутствия тока (напряжения) в цепях. 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 кГц.
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.).
wikiredia.ru
Схема работы гальванометра Гальвано́метр (от фамилии учёного Луиджи Гальвани и слова др.-греч. μετρέω — «измеряю») — высокочувствительный прибор для измерения силы малых постоянных электрических токов. В отличие от обычных микроамперметров шкала гальванометра может быть проградуирована не только в единицах силы тока, но и в единицах напряжения, единицах других физических величин. Шкала может иметь условную, безразмерную градуировку, например, при использовании в качестве .
В июне 1820 года Ганс Эрстед опубликовал описание опыта, для выполнения которого нужно:
Результат: стрелка отклонится от направления магнитного меридиана Земли.
Для усиления действия тока Иоганн Швайггер:
Полученное устройство получило название «мультипликатор» и было продемонстрировано в университете Галле 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.
В 1821 году Поггендорф усовершенствовал конструкцию «мультипликатора», снабдив его измерительной шкалой.
В 1823 году Авогадро и Микелотти предложили «мультипликатор», в котором стрелка была подвешена на шёлковой нити над разграфленным (линованым) сектором (прообраз шкалы), а всё устройство помещалось под стеклянным колпаком.
Ещё 1821 году Ампер сконструировал «астатический аппарат», представлявший собой две жёстко связанные параллельные магнитные стрелки. Полюса стрелок были направлены в противоположные стороны, поэтому направление стрелок не зависело от направления магнитного поля Земли. Нити были подвешенны над проводником. Устройство показало, что магнитная стрелка, избавленная от влияния магнитного поля Земли, ориентируется перпендикулярно проводнику с током.
13 мая 1825 года на заседании Моденской академии Леопольдо Нобили представил первый «астатический гальванометр» (см. ). Аппарат представлял собой сочетание «астатического аппарата» Ампера с подвеской на нити. Этот прибор на протяжении нескольких десятков лет оставался наиболее чувствительной разновидностью гальванометров.
В 1826 году Поггендорф ввёл метод зеркального отсчёта, развитый впоследствии Гауссом (1832) и применённый в «зеркальном гальванометре» Вебером (1846).
В 1825 году Антуан Беккерель предложил эскиз «дифференциального гальванометра».
В 1833 году Нервандер предложил первый гальванометр, отградуированный в абсолютных единицах.
В 1837 году Клод Пулье предложил «тангенциальный гальванометр» или «тангенс-буссоль». Маленькая магнитная стрелка с длинным медным указателем, была установлена на игле над расчерченным на градусы кругом, была помещена в центре вертикального кольца из проводника диаметром 40‑50 см. Перед началом измерений следовало сориентировать кольцо в плоскости магнитного меридиана Земли.
В 1840 году Вебер использовал усовершенствованную модель «тангенциального гальванометра», в котором вместо кольца из проводника использовались две соединённые последовательно катушки с проводником расположенные в параллельных плоскостях, а магнитная стрелка помещалась межу ними, что обеспечивало более равномерное распределение магнитного поля, создаваемого током.
Вебер создал теорию «тангенциального гальванометра», показав как электрический ток может быть измерен в абсолютных единицах через его действие на горизонтально подвешенную стрелку после того как горизонтальный компонент магнитного поля Земли в абсолютных единицах был установлен. С этого момента до приблизительно 1890 годов для прецизионных (обладающий высокой точностью) измерений электрического тока использовались различные виды «тангенциальных гальванометров». Электрические лаборатории в те времена не использовали железных конструкций искажающих магнитное поле Земли.
Различные типы «тангенциальных гальванометров» предлагали Гельмгольц (1849), Кольрауш (1882).
В 1846 году Вебер представил «электродинамический гальванометр», у которого между двумя катушками, расположенными вертикально в параллельных плоскостях, вместо компаса подвешивалась на ленте третья катушка меньшего размера, намотанная бифилярно. Все три катушки соединялись последовательно. Подвес ориентировал подвижную катушку перпендикулярно плоскости, в которой установлены неподвижные катушки и обеспечивал противодействующий момент. При протекании тока в цепи подвижная катушка стремилась ориентироваться параллельно остальным. В качестве указателя использовалось зеркало.
В 1858 году Уильям Томсон (лорд Кельвин) разработал и запатентовал свой «зеркальный гальванометр» (см. ) для подводного трансатлантического телеграфа. Гальванометр представлял собой массивную вертикальную катушку из медной проволоки в шелковой изоляции в центре которой имелась небольшая полость. Четыре миниатюрных магнита были приклеены к оборотной стороне зеркала, подвешенного на шёлковой нити в этой полости. Магниты образовывали астатическую систему, влияние магнитного поля Земли дополнительно компенсировалось установкой постоянного магнита наверху прибора. Изменяя высоту магнита можно было регулировать чувствительность прибора. При пропускании тока через катушку зеркало поворачивалось, отклоняя падающий луч света. При этом сопротивление воздуха, испытываемое зеркалом при вращении, за счёт небольшого зазора между краем зеркала и стенками полости позволяло демпфировать случайные колебания измеряемого сигнала. Гальванометр отличался очень высокой чувствительностью. Проекция пятна света на экран позволяла наблюдателю фиксировать колебания уровня сигнала при передаче сообщения независимо от смещения нулевого положения и при этом, за счёт эффективного успокоения, позволял принимать больше сигналов за единицу времени. Прибор использовался в составе трансатлантического телеграфа до 1870 года.
Марсель Депре предложил поместить железную стрелку между полюсами сильного постоянного магнита, поле которого ориентирует стрелку аналогично действию магнитного поля Земли. Катушка, окружающая собой стрелку, помещается так, что ток, напротив, стремится установить стрелку перпендикулярно к этому направлению. Таким прибором можно было пользоваться вблизи металлоконструкций и даже работающих динамо-машин.
В 1881 годуЖак-Арсен д’Арсонваль и Марсель Депре разработали гальванометр (см. ) с подвижной катушкой из проводника, намотанного на прямоугольную рамку и подвешенного между полюсами постоянного магнита. Измеряемый ток подводился к катушке по металлической ленте на которой она была подвешена, противодействующий момент создавался винтовой пружиной. В качестве указателя использовалось зеркало, закреплённое на катушке. Внутрь катушки был помещён неподвижный цилиндр из мягкого железа, что обеспечило равномерное распределение магнитного потока для различных положений катушки. Благодаря этому отклонение рамки прямо пропорционально току в катушке, и гальванометр Д’Арсонваля-Депре, в отличие от более ранних конструкций, имеет равномерную шкалу. Этот прибор послужил первым образцом магнитоэлектрического измерительного механизма.
В 1888 году Эдвард Вестон внёс ряд усовершенствований в конструкцию Д’Арсонваля-Депре:
Последние два решения характерны для относительно более грубых приборов со стрелочным указателем.
Чаще всего гальванометр используют в качестве аналогового измерительного прибора. Используется для измерения силы постоянного тока, протекающего в цепи.
Гальванометры конструкции /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.
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.
Гальванометр ориентирован так, что плоскость катушки параллельна магнитному меридиану Земли, то есть горизонтальной составляющей BH{\displaystyle B_{H}} магнитного поля Земли. Когда ток проходит через катушку, в катушке создается магнитное поле, перпендикулярное катушке. Величина магнитного поля:
B=μ0nI2r,{\displaystyle B={\mu _{0}nI \over 2r}\,,}где:
Два перпендикулярных поля векторно складываются и стрелка компаса отклоняется на угол θ{\displaystyle \theta }, равный:
θ=arctgBBH.{\displaystyle \theta =\operatorname {arctg} {\frac {B}{B_{H}}}\,.}Из тангенциального закона
B=BHtgθ,{\displaystyle B=B_{H}\operatorname {tg} \theta \,,}то есть
μ0nI2r=BHtgθ,{\displaystyle {\mu _{0}nI \over 2r}=B_{H}\operatorname {tg} \theta \,,}или
I=(2rBHμ0n)tgθ{\displaystyle I=\left({\frac {2rB_{H}}{\mu _{0}n}}\right)\operatorname {tg} \theta }или
I=Ktgθ,{\displaystyle I=K\operatorname {tg} \theta \,,}где K{\displaystyle K} — понижающий коэффициент тангенциального гальванометра.
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 кГц. 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.
Современный зеркальный гальванометр от фирмы Scanlab 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 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.
Гальванометр является базовым блоком для построения других измерительных приборов. На основе гальванометра можно построить амперметр и вольтметр постоянного тока с произвольным пределом измерения.
Для получения амперметра необходимо подключить шунтирующий резистор параллельно гальванометру.
Для получения вольтметра необходимо подключить гасящий резистор (добавочное сопротивление) последовательно с гальванометром.
Если к гальванометру не подключено никаких дополнительных резисторов, то его можно считать как амперметром, так и вольтметром (в зависимости от того, как гальванометр включен в цепь и как интерпретируются показания).
В сочетании с датчиком света (фотодиодом) или температуры (термоэлементом), гальванометр может быть использован в качестве, соответственно, экспонометра в фотографии, измерителя разности температур и т. п.
Для измерения заряда, протекающего через гальванометр в виде короткого одиночного импульса, используется баллистический гальванометр, в котором наблюдают не отклонение рамки, а её максимальный отброс после прохождения импульса.
Гальванометр используется также в качестве указателя (нуль-индикатора) отсутствия тока (напряжения) в цепях. 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 кГц.
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.).
www.zirozebar.com
магнитного поля Земли. Когда ток проходит через катушку, в катушке создается магнитное поле, перпендикулярное катушке. Величина магнитного поля: 
— ток, А;
— число витков катушки;
— радиус катушки.
, равный: 
— понижающий коэффициент тангенциального гальванометра. 