Гальванометры: классификация, отсчет и управление чувствительностью

1. Классификация и физические принципы работы гальванометров. В демонстрационном и лабораторном физическом эксперименте средних и высших учебных заведений ключевое место занимают измерительные приборы магнитоэлектрической системы. Принцип их функционирования основан на силовом взаимодействии между магнитным полем постоянного магнита и электрическим током, протекающим по подвижному проводнику. В рамках учебного процесса наиболее широко применяются два базовых конструктивных вида данных приборов: гальванометр с поворачивающейся катушкой (рамочный гальванометр) и гальванометр с поворачивающимися магнитами.

Наибольшее практическое распространение, обусловленное высокой чувствительностью, высокой точностью и линейной равномерностью делений шкалы, получил гальванометр с поворачивающейся катушкой (системы Марселя Депре и Жака-Арсена д’Арсонваля).

Рис. 100. Схема устройства магнитоэлектрического гальванометра с поворачивающейся катушкой (системы Депре и д’Арсонваля)

Конструктивно данный прибор состоит из сильного постоянного магнита NS, в межполюсном пространстве которого помещена легкая прямоугольная катушка (или рамка) А, подвешенная на упругой металлической нити. Для проведения высокоточного отсчета угла поворота с подвижной катушкой жестко соединены механическая стрелка или легкое плоскопараллельное зеркальце Z.

Рис. 102. Внутреннее устройство рамочного гальванометра со стрелочным указателем

Измеряемый электрический ток подводится к рамке А через верхнюю упругую нить подвеса (+), а отводится через нижнюю спиральную пружину Р, создающую минимальное противодействующее механическое усилие повороту подвижной системы.

Второй базовый тип приборов — гальванометр с подвижными магнитами, вращающимися внутри неподвижных катушек А, обтекаемых измеряемым током.

Главным недостатком приборов данного типа является их чрезвычайно высокая восприимчивость к воздействию внешних паразитных магнитных полей. Для устранения помех высокочувствительные экземпляры оснащаются специальной системой магнитной защиты — ферромагнитным панцирем. По предельной чувствительности эти измерители не уступают приборам Депре — д’Арсонваля, а их фундаментальным достоинством для учебной лаборатории является простота конструкции, позволяющая изготовить прибор своими силами.

Особую категорию представляет струнный гальванометр, обладающий специфической областью применения в экспериментальной физике и физиологии.

Рис. 103. Конструкция струнного гальванометра с оптической регистрацией

В струнном гальванометре зарегистрированное значение силы тока определяется по поперечному смещению сверхтонкой (диаметром d = 0,001–0,002 мм) золотой или платиновой нити АВ, натянутой в постоянном магнитном поле NS. Величина микроскопического смещения нити фиксируется при помощи отсчетного микроскопа С или проецируется на внешний демонстрационный экран. Струнные приборы обладают исключительно малым собственным периодом свободного колебания (от 0,008 до 0,01 с), что делает их незаменимыми инструментами для регистрации быстрых переменных и импульсных токов низкой интенсивности.

2. Оптические системы отсчета и устройство шкалы. Методология снятия показаний определяет итоговую погрешность физического эксперимента. Для повышения точности отсчета у стрелочных приборов шкалу располагают непосредственно над плоскостью плоского зеркала. Подобные узлы называют зеркальными шкалами, а сами приборы — стрелочными гальванометрами с зеркальной шкалой.

Правильный отсчет по зеркальной шкале производится строго одним глазом. Наблюдатель выбирает угол зрения таким образом, чтобы видимое изображение стрелки в зеркале полностью перекрывалось самим телом стрелки.

В классическом зеркальном гальванометре роль физической стрелки исполняет узкий отраженный луч света («световой зайчик»). Шкала прибора выполнена из непрозрачного материала либо нанесена на матовое стекло, кальку или полупрозрачную бумагу.

В демонстрационных лекционных установках применяется масштабная шкала длиной от 2 до 3 м с крупными делениями через каждые 5–10 см. В лабораторных установках для точных измерений используется шкала-линейка длиной 50–100 см с миллиметровыми делениями, устанавливаемая на расстоянии от 1 до 3 м от зеркальца Z.

У стрелочных приборов нулевое деление практически всегда располагается посередине шкалы. В зеркальных гальванометрах нулевая точка также изначально находится в центре, но при необходимости проведения однополярных измерений может быть смещена на край шкалы.

3. Метрологические характеристики и чувствительность. Исторически концепция чувствительности измерительных приборов претерпевала изменения. Ранее токовая чувствительность определялась величиной тока в амперах, вызывающей отклонение стрелки на одно деление, а вольтовая чувствительность — напряжением в вольтах на клеммах прибора, дающим аналогичное отклонение на одно деление. Для зеркальных приборов чувствительностью считались величины тока, напряжения или заряда (в амперах, вольтах, кулонах), смещающие световое пятно на 1 мм по шкале, удаленной на 1 м. Например, гальванометр типа З-V Ленинградского физического института давал смещение на 1 мм при токе I = 1,5 · 10⁻⁹ А или напряжении U = 2,5 · 10⁻⁶ В.

Согласно действующим стандартам (ОСТ 7656), чувствительность гальванометра S определяется как отношение изменения угла отклонения стрелки Δα (выраженного в миллиметрах шкалы) к изменению измеряемой величины Δx:

S = Δα / Δx

Токовая чувствительность зеркального гальванометра SI определяет отклонение в миллиметрах по шкале, расположенной на расстоянии 1 м, вызванное током I = 1 мкА. Вольтовая чувствительность SV представляет собой отклонение при приложении к клеммам напряжения U = 1 мВ. Указанные величины связаны соотношением через внутреннее электрическое сопротивление гальванометра Rg:

SV = SI / Rg

Высокочувствительные по току гальванометры обладают большим внутренним сопротивлением, тогда как приборы с высокой чувствительностью по напряжению имеют малое внутреннее сопротивление. Максимальная передача мощности и пик чувствительности достигаются при полном согласовании цепи — когда сопротивление внешней цепи R равно внутреннему сопротивлению прибора r (R = r).

Период свободных колебаний катушки составляет от 5 до 8 с, а у специализированных баллистических гальванометров период увеличивается до 14–25 с для точного интегрирования коротких импульсов тока.

4. Динамические режимы и критическое сопротивление. Важнейшим фактором практической работы является затухание механических колебаний подвижной системы. При слабо затухающих колебаниях зеркальце долго колеблется около положения равновесия, затягивая время измерения. Для демпфирования используется тормозящее действие вихревых токов Фуко, индуцируемых в металлическом каркасе катушки при ее движении в магнитном поле.

В высокочувствительных зеркальных приборах металлический каркас отсутствует, а успокоение достигается за счет токов индукции в самой обмотке. Для быстрого гашения колебаний катушку закорачивают накоротко.

Критическое сопротивление Rкр — это такое сопротивление внешней электрической цепи, при котором движение подвижной системы из колебательного превращается в апериодическое движение (предельно затухающее).

Наиболее эффективный режим измерений достигается, когда внешнее сопротивление равно или незначительно превышает критическое. Если внешнее сопротивление намного меньше критического, система апериодически и крайне медленно приближается к положению равновесия («ползет»). Если же внешнее сопротивление существенно выше критического, затухание становится недостаточным, и прибор совершает продолжительные осцилляции вокруг нулевого деления.

5. Методы регулирования и уменьшения чувствительности. При измерении неизвестных или сильных токов во избежание повреждения обмотки параллельно гальванометру G подключают шунт Rs с малым сопротивлением.

Рис. 107. Схема параллельного подключения шунта к гальванометру

Ток Ig, протекающий через гальванометр с сопротивлением r, связан с общим током цепи I соотношением:

Ig = I · [ Rs / (Rs + r) ]

Для ослабления чувствительности прибора в n раз (n = I / Ig) необходимо выбрать сопротивление шунта по формуле:

Rs = r / (n − 1)

Например, при необходимости ослабить чувствительность прибора с сопротивлением r = 500 Ом в n = 100 раз, потребуется шунт сопротивлением:

Rs = 500 / (100 − 1) = 500 / 99 ≈ 5,05 Ом

Конструктивно шунты изготавливаются бифилярной намоткой из константана, манганина или никелина на катушках, либо из никелиновых полос, толстой медной проволоки и жести.

Рис. 108. Внешний вид проволочных и пластинчатых шунтов

Рис. 109. Подгонка малого сопротивления шунта путем подрезания металлической полоски

Шунты оснащаются массивными зажимами. Присоединение магистральных проводов А и В производят непосредственно к клеммам шунта, а гальванометр подсоединяют проводниками С и D.

Рис. 110. Правильная и неправильная схемы подключения проводников к шунту и гальванометру

Неправильное подключение добавляет сопротивление соединительных проводов к шунту, искажая коэффициент деления тока.

Для расширения диапазона регулирования последовательно с прибором вводится балластное сопротивление R (магазин сопротивлений).

Рис. 111. Схема совместного включения шунта и добавочного балластного сопротивления

В этом случае формула расчетного сопротивления шунта принимает вид:

Rs = (r + R) / (n − 1)

Применение балластных сопротивлений позволяет применять шунты с существенно большими и удобными номиналами сопротивлений.

Гибкое плавное управление чувствительностью реализуется через схемы с потенциометром.

Рис. 112. Схема регулировки чувствительности гальванометра с использованием потенциометра

При смещении подвижного движка e плечи потенциометра одновременно перераспределяют величины балластного R и шунтирующего Rs сопротивлений. При измерении неизвестных токов предварительно устанавливают минимальное сопротивление шунта и максимальное балластное сопротивление, с последующим ступенчатым увеличением чувствительности.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Д. Д. Галанин, Е. Н. Горячкин, С. Н. Жарков, А. В. Павша, Д. И. Сахаров.

Источник: Физический эксперемент в школе. т. 3

Данные материалы будут полезны преподавателям физики и электротехники, студентам инженерно-технических специальностей, учащимся старших классов, а также всем, кто интересуется вопросами практической электродинамики и методиками наглядного моделирования физических процессов.