Гальванометр

Гальванометр, электромагнитный прибор, служащий для измерения силы электрического тока. Хронологически первый принцип устройства гальванометр состоит в отклоняющем действии электрического тока на подвижную магнитную стрелку.

Пусть электрический ток проходит в направлении ABCDF (рис. 1) по проволоке, изогнутой в форме прямоугольника, плоскость которого поставлена в магнитном меридиане; в таком случае магнитная стрелка аb, которая при отсутствии тока оставалась бы в плоскости проволоки, отклонится северным полюсом a к западу. Чем сильнее ток, тем больше отклонение. Этот принцип устройства гальванометра был указан в 1820 г. Ампером; ему же принадлежит и термин гальванометр

Отклоняющее действие тока увеличивается, если вместо одного проволочного прямоугольника ABCDF взять несколько оборотов (изолированной) проволоки, свернутых в виде катушки; такое приспособление, устроенное впервые Швейгером, носит название мультипликатора.

На рис. 2 изображен гальванометр Нобили, построенный в 1826 г.; этот прибор можно найти и в настоящее время во всяком физическом кабинете. Здесь применена так называемая астатическая (см.) система стрелок (рис. 3); она подвешена на коконовой нити L, которая при помощи винта К может быть (без кручения) подтянута кверху или опущена. Нижняя стрелка n′s, астатической системы помещается внутри мультипликатора А (с левой стороны его видна проволочная обмотка, навитая на особой деревянной рамке); верхняя стрелка sn находится снаружи, выше медного круга с делениями S, и бывает снабжена указателем для отсчитывания делений. Стеклянный колпак РР′ защищает аппарат от воздушных течений. СС суть т. н. борны, т. е. точки, соединение которых с концами гальванической цепи вводит мультипликатор в эту цепь.

С помощью гальванометр Нобили можно отсчитывать отклонения стрелки с точностью примерно до полуградуса. Гораздо большая (в сотни раз) точность достигается в тех гальванометрах, где применен так называемый зеркальный отсчет. Этот метод, изобретенный Погендорфом, объясняется на рис. 4.

Здесь s есть маленькое и легкое зеркальце, прикрепленное к нити, на которой висит магнитная стрелка гальванометра; f - зрительная труба, направленная к зеркальцу и находящаяся от него на расстоянии до нескольких метров; с - разделенная шкала. Плоскость чертежа, в которой находятся все эти предметы, горизонтальна. Наблюдатель, смотрящий в трубу f, видит изображение шкалы в зеркальце; данное положение магнитной стрелки характеризуется тем делением шкалы, которое совпадает с вертикальной нитью нитяного креста зрительной трубы. Но стоит зеркальцу s на тысячную долю градуса повернуться около вертикальной оси, - и наблюдатель видит, что на вертикальной нити приходится уже другое деление шкалы.   Этот способ применен, например, в гальванометре Видемана, простейшая форма которого изображена на рис. 5.

Здесь роль магнитной стрелки, а вместе с тем и роль зеркальца, играет отполированный стальной кружок NS, намагниченный по направлению горизонтального диаметра и подвешенный на коконовой нити внутри толстостенной медной муфты А; стеклянные окошечки в муфте предохраняют его от действия воздушных течений. На муфту А могут быть надвинуты катушки изолированной проволоки ВВ, по которым пропускается измеряемый ток. Прибор устанавливается так, чтобы магнитная ось магнита NS находилась в магнитном меридиане и была перпендикулярна к оси муфты и катушек. После того как ток пропущен чрез катушки, магнит NS приходит в колебание, но скоро (спустя 4-6 секунд) успокаивается, потому что в муфте А вследствие его движений развиваются индукционные токи, которые своим электродинамическим действием по закону Ленца противодействуют движениям магнита; так. обр., муфта А служит т. н. успокоителем или демпфером. Магнитное действие земли может быть ослаблено посредством т. н. компенсирующего магнита, который, находясь под доской, поддерживающей части прибора, может быть установлен так, чтобы он в месте, занимаемом стрелкой NS, производил почти однородное поле, противоположное земному полю. Этим увеличивается чувствительность прибора; обратной манипуляцией она может быть уменьшена.

В гальванометре Томсона (Кельвина) употреблена астатическая магнитная система, причем каждая из двух стрелок составлена из нескольких, маленьких (не более сантиметра в длину) и тонких намагниченных стальных полосок, наклеенных на слюдяной листочек (рис. 6). К верхнему листочку приклеено слегка вогнутое зеркальце той же величины. Успокоение колебаний подвижной системы здесь не электрическое, как в гальванометре Видемана, а воздушное: оно достигается при помощи тонкой слюдяной пластинки, прикрепленной к подвижной системе и испытывающей сопротивление воздуха во время качаний. В хорошо построенных приборах вес стрелок и зеркальца не превышает ¹/₂₀ грамма: вследствие незначительной инерции колеблющейся системы, продолжительность качания делается весьма малой. Общий вид прибора дан  на рис. 7.

Обмотка состоит из двух пар катушек (одна пара - вверху, другая - внизу); обыкновенно она делается из очень тонкой проволоки и имеете большое сопротивление - до 10 000 Ом. Над прибором помещается магнит, который, находясь на неодинаковых расстояниях от обеих стрелок, производит на их систему некоторое направляющее действие. Он может быт  поднят или опущен (при этом изменяется чувствительность прибора), а также может быть повернут около вертикальной оси (это позволяет установить подвижную систему в «нулевое» положение). Томсон употребил в своем приборе объективный способ зеркального отсчета, имеющий то преимущество, что он гораздо менее утомляет наблюдателя, чем способ телескопический. Лучи источника света (рис. 8), пройдя через узкую щель и чрез выпуклую линзу, падают на зеркальце прибора и, отразившись от него, дают действительное изображение щели (так называемый «световой зайчик») на шкале, разделенной на миллиметры; понятно, что при отклонении стрелки прибора «зайчик» перемещается. Чувствительность гальванометра Томсона весьма велика: она может достигнуть 10^-11 ампера (это значит, что при токе такой силы, проходящем чрез обмотку, зайчик перемещается на 1 миллиметр, при расстоянии шкалы в 1 метр).

Правая часть рис. 7 изображает так называемый шунт (shunt) - приспособление, дающее возможность менять чувствительность гальванометра в весьма широких пределах. Шунт представляет собой ответвление, проложенное между борнами гальванометра и позволяющее только определенной доле (например, ¹/₁₀, или ¹/₁₀₀, или ¹/₁₀₀₀) измеряемого тока пройти чрез обмотку гальванометра. Панцирный гальванометр Дюбуа и Рубенса изображен на рис. 9.

Здесь магнитная стрелка и обмотка могут быть окружены двумя парами концентрических железных полушарий (одно из них на рисунке изображено снятым); кроме того, прибор может быть помещен в железный цилиндр. Цель этого приспособления состоит в том, чтобы предохранить магнитную систему гальванометра от возмущающего действия, производимого магнитными полями различных электротехнических установок, в частности - трамвайных проводов. Для более полной компенсации земного поля, к прибору присоединены две пары магнитов (одна пара видна вверху, другая - в промежутке между панцирями). Подвижная система подвешивается на кварцевой нити; эти нити имеют то преимущество пред шелковыми, что они могут быть сделаны чрезвычайно тонкими (до ¹/₁₀₀₀ миллиметра), отчего уменьшается оказываемое ими сопротивление кручению и увеличивается чувствительность прибора.

Иной, сравнительно с предыдущими образцами, тип гальванометров представляют гальванометры с вращающейся катушкой. Из них опишем гальванометр Депре и д'Арсонваля (рис. 10).

Прямоугольная катушка, образованная значительным числом оборотов тонкой проволоки, может вращаться около вертикальной оси, составленной двумя проволоками; через одну из них исследуемый ток входит в катушку, через другую выходит. Катушка эта помещается в магнитном поле, создаваемом полюсами подковообразного магнита и цилиндром из мягкого железа, который помещен в междуполюсном пространстве. Когда по катушке проходит  ток, то сила взаимодействия между током и магнитом стремится поставить плоскость катушки перпендикулярно к направлению силовых линий магнита; действие этой силы уравновешивается силой кручения проволоки подвеса. Успокоение (производимое индуктивными токами) очень сильно, так что колебаний подвижной системы может вовсе не быть (такое свойство гальванометра называется апериодичностью). Отклонения отсчитываются с помощью зеркальца, прикрепленного к вращающейся катушке.

Гальванометры такого устройства имеют широкое применение в технике, благодаря своей нечувствительности к посторонним магнитным силам: ими можно пользоваться при измерениях вблизи динамо-машин, где гальванометры с магнитной стрелкой неприменимы. Зато приборы этого рода обладают меньшей чувствительностью, чем раньше описанные.

Перечисленные выше приборы изготовляются во множестве видоизменений, отличающихся теми или другими деталями устройства.   Кроме того укажем еще ряд приборов, замечательных в каком-либо отношении. По своеобразию устройства интересен струнный гальванометр (впервые построенный Адером в 1897 г.): тончайшая металлическая (или посеребренная кварцевая) нить натягивается вертикально между полюсами сильного магнита или электромагнита, помещенного горизонтально. Если по нити пропустить ток, то электромагнитная сила вызывает прогибание ее; этот прогиб измеряется помощью микроскопа. Прибор обладает высокой чувствительностью и имеет то преимущество пред другими гальванометрами, что его нить, благодаря ничтожности ее инерции, весьма быстро реагирует на всякое изменение тока. Поэтому струнный гальванометр часто употребляется (например, в физиологических опытах) в соединении с регистрирующим аппаратом, который фотографическим путем отмечает положение маленького участка нити на быстро движущейся ленте. Видоизменения струнного гальванометра были построены физиологом Эйнтховеном и конструктором Эдельманом; прибор последнего изображен на рис. 11.

Так называемая тангенс-буссоль или тангенс-гальванометр (впервые построен Пулье в 1837 г.) изображается на рис. 12.

Этот прибор в простейшей форме состоит из медного кольца О (иногда вместо одного кольца берется рама, на которую намотано несколько оборотов проволоки), вводимого в цепь при помощи зажимов d и b. В центре кольца находится маленькая магнитная стрелка, снабженная указателями для отсчета делений на разделенном горизонтальном круге. Плоскость кольца устанавливается в магнитном меридиане; таким образом, при отсутствии тока стрелка располагается в плоскости кольца. Теория показывает, что тангенс угла отклонения стрелки от этого положения пропорционален силе тока, проходящего по кольцу; тангенс-буссоль дает возможность производить прямые абсолютные измерения силы тока, тогда как все предыдущие приборы обыкновенно употребляются лишь для сравнительных измерений.

Баллистическим гальванометром называется такой, у которого период колебаний подвижной системы настолько велик, что за время прохождения через его обмотку мгновенного (разрядного, индукционного) тока эта система не успевает заметно сместиться. Теория показывает, что при этих условиях величина первого отклонения подвижной системы может служить мерой протекшего через гальванометр количества электричества. В качестве баллистических часто применяются гальванометры типа Депре-д'Арсонваля.

В дифференциальном гальванометре обмотка состоит из двух равных катушек, по которым могут быть пропущены два различных тока так, чтобы они отклоняли стрелку в противоположные стороны. Если при этом стрелка остается в том же положении, как и в отсутствии токов, то, значит, пропущенные токи равны друг другу. Таким образом, дифференциальный гальванометр может служить для констатирования равенства сил двух токов. В качестве дифференциального можно употреблять описанные выше гальванометры Томсона и Видемана.

Универсальный гальванометр Сименса (рис. 13) представляет сочетание гальванометра с Уитстоновым мостом; с помощью этого прибора можно измерять не только силы токов, но также электродвижущие силы и сопротивления.

Близко к гальванометрам стоят по своему назначению (а иногда и по устройству) амперметры, или амметры, и вольтметры, употребляемые, главным образом, для технических целей. Амперметром называется прибор, обладающий указателем и шкалой, градуированной в амперах (или долях ампера), и позволяющий непосредственно измерять силу тока в цепи; вольтметр, имея шкалу, градуированную в вольтах, употребляется для измерения электродвижущих сил или разностей потенциала. Представим себе, что гальванометр А с очень малым сопротивлением (как, например, у тангенс-буссоли) включается в гальваническую цепь, питаемую источником В (рис. 14); тогда включение гальванометра почти не изменит  ни сопротивления цепи, ни силы тока, и следовательно показание, даваемое гальванометром, будет определяться исключительно силой тока в цепи. Придав такому гальванометру шкалу и указатель, получим амперметр. С другой стороны, представим себе, что гальванометр V с очень большим сопротивлением (или вообще какой-нибудь гальванометр с присоединенным к нему последовательно большим сопротивлением R, рис. 15) присоединяется к точкам а и b цепи. Тогда в ответвление aRVb пойдет лишь ничтожная доля всего тока, и распределение потенциала в цепи BabB почти не изменится; отклонение гальванометра V будет определяться разностью потенциалов точек а и b. Снабдив такой гальванометр указателем и соответственно проградуированной шкалой, получим вольтметр.

Наиболее употребительны амперметры и вольтметры трех типов: 1) с постоянным магнитом и подвижной катушкой; 2) с подвижным куском мягкого железа; 3) с тепловым расширением проволоки. Инструменты первого типа по устройству аналогичны описанному выше гальванометру Депре и д'Арсонваля; внутреннее устройство такого инструмента показано на рис. 16 (причем один из полюсных наконечников магнита отнят, чтобы можно было видеть катушку). Направляющее действие производится на катушку двумя часовыми пружинками; они же служат для подводки тока.

Инструменты второго типа имеют весьма разнообразное устройство. В одних (как на рис. 17) вертикальный железный стержень (с которым, при помощи рычажной передачи, соединен указатель) висит на пружине над вертикальной катушкой и втягивается в последнюю более или менее, смотря по силе проходящего чрез катушку тока; в других (рис. 18) овальная железная пластинка I, могущая вращаться около эксцентрической оси S, втягивается в полость катушки С; Р есть указатель, у которого на верхнем конце находится дуга W с поршнем D; при движении в трубке АВ поршень испытывает сопротивление воздуха, демпфирующее колебания подвижной системы.

Инструменты третьего типа основаны на совершенно ином принципе, чем все ранее описанные: а именно - на том, что проволока, по которой проходит ток, нагревается, и вследствие этого удлиняется. Внутреннее устройство прибора этой категории показано на рис. 19.

Упругость часовой пружины r стремится двигать указатель вправо по шкале; этому препятствует натяжение проволочного многоугольника edca. Но если по платино-серебряной (или платино-иридиевой) проволочке ab пропущен ток, то она удлиняется, и указатель, соответственно этому удлинению, перемещается. Приборы этого рода имеют то преимущество, что показания их совершенно не зависят от внешнего магнитного поля и от его возмущений.

Инструменты последних двух типов дают отклонение указателя всегда в одну и ту же сторону, независимо от направления тока; они пригодны не только для постоянных, но и для переменных токов.

Амперметры более высокой чувствительности обыкновенно снабжаются шунтами; пользуясь соответственным шунтом или не пользуясь никаким, мы можем с помощью одного и того же прибора измерять токи, порядок которых соответственно был бы равен, например, 1 амперу, 1/10, 1/100 и 1/1000 ампера.

А. Бачинский.