Гальванометр — прибор для измерения тока¶
Гальванометр — это электрометрический прибор, предназначенный для обнаружения и измерения малых электрических токов (обычно в диапазоне от микроампер до миллиампер). Гальванометр относится к классу аналоговых измерительных приборов, работающих на основе электромагнитного взаимодействия между током в подвижной катушке и магнитным полем. В современной физике и технике гальванометр служит как самостоятельный измерительный прибор, так и чувствительный элемент (стрелочный индикатор) в составе амперметров, вольтметров, осциллографов и других приборов.
¶История
Термин «гальванометр» происходит от фамилии итальянского физика Луиджи Гальвани, чьи опыты 1780-х годов с электрическими явлениями в мышцах лягушки заложили основы учения о гальванизме. Первые приборы для обнаружения электрического тока были созданы в начале XIX века.
В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил отклонение магнитной стрелки под действием тока в проводнике. Этот эффект стал физической основой гальванометра. В том же году швейцарский физик Иоганн Швейгер создал «мультипликатор» — прибор, в котором многократное витковое намоткой усиливало действие тока на магнитную стрелку. Английские учёные Джон Дэви и Николсон усовершенствованием этого принципа.
В 1836 году немецкий учёный Иоганн Неймайр предложил зеркальный гальванометр, в котором вместо стрелки использовалось легкое зеркало, отражавшее световой луч. Такое решение многократно увеличивало чувствительность прибора. Зеркальные гальванометры применялись, в частности, для работы на линиях электросвязи.
В 1882 году французский физик Арсен Д'Арсонваль разработал подвижнокатушечный гальванометр, ставший прообразом современных приборов. В нём катушка с током вращалась в поле постоянного магнита, а возвращение к нулевому положению обеспечивала упругая спиральная пружина.
¶Принцип работы
Принцип действия гальванометра основан на силе Ампера: проводник с током, помещённый в магнитное поле, испытывает механическую силу. В подвижнокатушечном гальванометре ток подводится к лёгкой катушке, помещённой между полюсами постоянного магнита. Под действием момента силы катушка поворачивается, смещая стрелку, связанную с ней жёстко. Противодействующий момент создаётся спиральной пружиной (в приборах Д'Арсоваля) или натяжением нити подвеса (в приборах Томсона). Угол отклонения стрелки пропорционален силе тока, поэтому шкала прибора может быть равномерно размеченной.
В магнитоэлектрическом гальванометре чувствительность достигается применением сильных постоянных магнитов, увеличением числа витков катушки и уменьшением жёсткости подвеса. Типичная чувствительность лабораторных гальванометров составляет единицы микроампер на деление шкалы.
¶Виды гальванометров
По конструктивному принципу гальванометры подразделяются на несколько основных типов:
| Тип | Принцип действия | Особенности |
|---|---|---|
| Магнитоэлектрический | Вращение катушки в поле постоянного магнита | Наиболее распространён, равномерная шкала |
| Зеркальный | Отражение светового луча от зеркала на подвижной системе | Высокая чувствительность, применяется в осциллографах |
| Катушечный (по Д'Арсонвалю) | Подвижная катушка в поле постоянного магнита | Прообраз современных стрелочных приборов |
| Магнитостатический (по Томсону) | Подвижный стержневой магнит между неподвижными полюсами | Конструкция Уильяма Томсона (лорда Кельвина), 1858 год |
| Ферродинамический | Взаимодействие токов в подвижной и неподвижной катушках | Работает без постоянного магнита, применяется в токовых клещах |
¶Применение
Гальванометр находит применение в нескольких областях:
- Электротехнические измерения. Гальванометр служит чувствительным элементом амперметров и вольтметров: стрелочный индикатор с добавочными шунтами или резисторами превращается в прибор для измерения тока или напряжения нужного диапазона.
- Мостовые измерения. В мостовых методах измерения сопротивлений (мост Уитстона) гальванометр используется как нуль-индикатор, фиксирующий равенство потенциалов в диагонали моста.
- Лабораторные исследования. Гальванометры применяются для обнаружения слабых токов, проверки цепей на обрыв и утечки, измерения ЭДС термоэлементов и фотоэлементов.
- Осциллография. Зеркальные гальванометры использовались в самописцах и осциллографах для регистрации быстропротекающих процессов.
- Биофизика и медицина. Гальванометрические принципы лежат в основе электрокардиографов и электроэнцефалографов, регистрирующих биотоки организма.
¶Гальванометр в школьном курсе физики
В школьной программе гальванометр изучается как пример применения закона Ампера и явления электромагнитной индукции. С его помощью демонстрируются индукционные токи (правило Ленца), работа гальванических элементов, закон Ома для участка цепи. Школьный гальванометр обычно имеет шкалу с центральным нулём, что позволяет определять не только величину тока, но и его направление.
¶Ограничения
Гальванометр чувствителен к механическим колебаниям и внешним магнитным полям, поэтому точные измерения требуют установки прибора на вибростойкое основание и экранирования. Диапазон измеряемых токов ограничен: для измерения больших токов гальванометр шунтируют, а для измерения напряжений последовательно с ним включают добавочное сопротивление. В цифровую эпоху стрелочные гальванометры во многих областях вытеснены электронными измерительными приборами, однако принципы их работы остаются основой курса электродинамики.
¶Источники
- Демидов А. Е., Ерохин В. Л. Курс общей физики. — М.: Наука.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том III. Электричество. — М.: Физматлит.
- Фрадкин Б. Е. Практикум по общей физике. — М.: Высшая школа.
- Большая советская энциклопедия, статья «Гальванометр».
- Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона, статья «Гальванометр».