Гальванометр как измерительный прибор¶

Гальванометр — высокочувствительный электроизмерительный прибор, предназначенный для обнаружения и измерения слабых электрических токов, напряжений и зарядов. Название происходит от фамилии итальянского врача и физиолога Луиджи Гальвани, чьи опыты с «животным электричеством» положили начало исследованиям электрических явлений в живых тканях. Исторически гальванометр стал первым прибором, позволившим регистрировать токи порядка наноампер и ниже, и сыграл ключевую роль в становлении электрофизиологии, метрологии и электротехники.

¶Принцип действия

В основе работы большинства гальванометров лежит взаимодействие магнитного поля постоянного магнита с магнитным полем проводника, по которому протекает измеряемый ток. Простейшая конструкция содержит подвижную рамку (катушку) из тонкого провода, помещённую между полюсами магнита. При пропускании тока через рамку возникает вращающий момент, пропорциональный силе тока, и рамка отклоняется. Угол отклонения регистрируется по шкале с помощью лёгкой стрелки или зеркального отсчёта, при котором луч света отражается от миниатюрного зеркала на подвижной части и падает на удалённую шкалу. Зеркальный способ («зеркальный гальванометр») существенно повышает чувствительность, поскольку позволяет заметить ничтожные повороты рамки.

Противодействующий момент создаётся либо спиральными пружинами (в приборах магнитоэлектрической системы), либо магнитным полем неподвижного магнита (в приборах с подвижным магнитом). Успокоение колебаний подвижной части обеспечивается воздушным или жидкостным демпфером, а в высокочувствительных моделях — электромагнитным торможением.

¶История

Первый прибор такого типа построил в 1820 году немецкий физик Иоганн Швейгер, сразу после открытия Хансом Эрстедом магнитного действия тока. Прибор Швейгера представлял собой магнитную стрелку, подвешенную над проводником, и получил название «мультипликатор». Термин «гальванометр» ввёл в употребление Андре-Мари Ампер.

В 1836 году французский физик Луи Пулье создал тангенс-гальванометр, позволявший вычислять силу тока по углу отклонения стрелки. В 1858 году Уильям Томсон (лорд Кельвин) разработал зеркальный гальванометр с высокой чувствительностью, применявшийся при прокладке трансатлантического телеграфного кабеля. В 1882 году французский инженер Жак-Арсен д’Арсонваль предложил конструкцию с подвижной рамкой и неподвижным магнитом, ставшую основой современных магнитоэлектрических приборов. В России значительный вклад в разработку чувствительных гальванометров и методов измерений внёс физик Александр Столетов, изучавший фотоэлектрические явления и магнитные свойства железа.

¶Классификация

Гальванометры различают по нескольким признакам.

По принципу действия:

Магнитоэлектрические — с подвижной рамкой или подвижным магнитом; наиболее распространены.
Электродинамические — с подвижной и неподвижной катушками.
Электромагнитные (язычковые) — с лёгким ферромагнитным якорем.
Тепловые — основаны на расширении проводника при нагреве током.
Струнные — по натянутой металлической нити, колеблющейся под действием тока в магнитном поле.

По способу отсчёта:

со стрелкой и шкалой;
зеркальные (световой указатель);
самопишущие.

По чувствительности различают милли-, микро- и наноамперметры, а также баллистические гальванометры, предназначенные для измерения малых количеств электричества (заряда) по первому отклонению подвижной части.

¶Применение

Гальванометры широко применялись в телеграфии для регистрации сигналов, в лабораторной практике — для измерения малых токов и напряжений, в геофизике — при электроразведке полезных ископаемых, а также в медицине. На их основе были созданы первые электрокардиографы: струнный гальванометр Виллема Эйнтховена (1903) позволил записывать биопотенциалы сердца и принёс автору Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1924 году. В современной технике классические гальванометры в значительной мере вытеснены цифровыми приборами, однако принцип их действия сохраняется в аналоговых индикаторах, нуль-индикаторах мостовых схем и в учебном оборудовании.

¶Особенности и ограничения

Основные характеристики гальванометра — чувствительность (отношение отклонения к току), порог чувствительности, внутреннее сопротивление и период собственных колебаний. Высокочувствительные приборы требуют тщательной защиты от вибраций, температурных колебаний и внешних магнитных полей; их устанавливают на массивных основаниях, иногда в отдельных помещениях. При измерении больших токов применяют шунты, а при измерении напряжений — добавочные сопротивления. К недостаткам относят хрупкость подвижной системы, зависимость показаний от ориентации прибора в пространстве и относительно невысокое быстродействие.

¶Значение

Гальванометр стал инструментом, с которого началась эпоха точных электрических измерений. Он обеспечил экспериментальную базу для открытий в области электромагнетизма, связи и физиологии, а его конструктивные решения — подвижная катушка, зеркальный отсчёт, магнитное демпфирование — вошли в конструкцию практически всех стрелочных электроизмерительных приборов XX века.

Источники: Большая российская энциклопедия; Физическая энциклопедия; учебные курсы по электроизмерительной технике; исторические обзоры по электрофизиологии.