Установка зеркального гальванометра: методика и юстировка

Ключевые слова: зеркальный гальванометр, юстировка, оптический указатель, шкала отсчета, высокочувствительные измерения, угол отклонения, гальванометр М-21, гальванометр «ФИ» Улитовского, кронштейн, параллакс, сопротивление изоляции.

1. Введение и теоретические основы юстировки высокочувствительных приборов. В физическом лабораторном практикуме и демонстрационном эксперименте средней и высшей школы зеркальный гальванометр занимает особое место как прецизионный прибор для регистрации сверхмалых токов и напряжений. Высокая чувствительность данных устройств достигается за счет применения легкой подвижной системы с закрепленным на ней миниатюрным зеркальцем, отражающим световой луч на вынесенную шкалу. Преимущество оптического указателя (зайчика) перед механической стрелкой заключается в отсутствии массы у светового рычага, что позволяет увеличивать эквивалентную длину стрелки до нескольких метров без увеличения момента инерции подвижной части.

Однако предельная чувствительность прибора делает его крайне уязвимым к внешним механическим воздействиям, вибрациям и случайным сдвигам. Измерение малых величин требует соблюдения строгих правил стационарного размещения, так как даже минимальные смещения корпуса или основания приводят к нарушению нулевого положения и искажению градуировки. В связи с этим в условиях учебных и исследовательских лабораторий эксплуатация зеркального гальванометра требует специального оборудования постоянного рабочего места и предварительной геометрической юстировки всей оптической системы.

2. Стационарное размещение и монтаж несущих конструкций. Поскольку перенос гальванометра с места на место не рекомендуется во избежание повреждения подвижной системы и сброса калибровки, его установка должна носить постоянно зафиксированный характер. В средней школе прибор используется преимущественно для демонстрационных опытов перед большой аудиторией, поэтому его монтируют на капитальной несущей стене здания. Высоту установки подбирают с таким расчетом, чтобы прибор был абсолютно недоступен для случайного прикосновения учащихся, даже если они встанут на стул. Подобная мера предосторожности обусловлена тем, что неосторожное касание неопытного человека сбивает точную юстировку, на восстановление которой впоследствии требуется значительное время.

Монтаж осуществляется с помощью специальных кронштейнов, на которых закрепляется массивная полка из толстой доски крепких пород дерева (дуб, береза) или каменной плиты. Для переносных и лабораторных моделей, таких как гальванометр М-21 производства Министерства электропромышленности СССР, на деревянную полку целесообразно укладывать дополнительную шлифованную плиту из мрамора или шифера для эффективного гашения высокочастотных вибраций здания.

Рис. 113. Конструкция тяжелого настенного кронштейна с деревянной полкой для стационарной установки гальванометра

Полка должна быть строго выверена по уровню в горизонтальной плоскости. Для точной настройки положения на корпусе большинства приборов предусмотрен встроенный жидкостный уровень (или физический отвес), а выравнивание относительно горизонта осуществляется посредством регулировки трех установочных винтов (ножек). Наряду с классическими моделями существуют и самонивелирующиеся гальванометры, примером которых служит гальванометр «ФИ» системы А. В. Улитовского, обладающий встроенным компенсационным механизмом горизонтального положения.

3. Расчет, размещение и градуировка оцифрованной шкалы. Оптический зайчик от зеркальца гальванометра отбрасывается на удаленную отсчетную шкалу. В демонстрационном кабинете шкала обычно подвешивается на противоположной или боковой стене — чаще всего над классной доской, на расстоянии 50–100 см от потолка, чтобы траектория луча находилась выше голов присутствующих и была хорошо видна со всех рабочих мест.

Изготовление отсчетной шкалы выполняется из полосы плотной белой бумаги шириной 25–40 см. Разметку шкалы сопоставляют с удалением прибора: в базовом варианте деления наносят на расстоянии 20–25 см друг от друга с разделением каждого интервала на 10 равных частей. Однако для обеспечения линейной связи между линейным смещением зайчика и углом поворота рекомендуется делать деления такой величины, чтобы они строго соответствовали отклонению в 1 мм на шкале, удаленной от гальванометра на расстояние L = 1 м.

Величину таких делений в миллиметрах принимают равной расстоянию в метрах от гальванометра до шкалы. К примеру, при расстоянии L = 10 м между гальванометром и шкалой величина одного базового деления должна составлять 10 мм. Ввиду того что подобные деления на большом удалении видны недостаточно четко, их наносят увеличенными в два раза тонкими короткими штрихами. Каждый пятый и десятый интервалы, отсчитываемые от нулевой отметки в середине шкалы, выделяют утолщенными длинными линиями или контрастными треугольниками и снабжают крупной оцифровкой.

4. Геометрия оптического хода и геометрия угловых отклонений. Оптимальное расположение оборудования предполагает установку гальванометра на стене, противоположной той, где закреплена шкала. Если аудитория слишком длинная и при полном затемнении класса интенсивность светового пятна (зайчика) становится недостаточной для четкого восприятия, применяют поперечную схему. В этом случае шкалу размещают на боковой стене, а прибор монтируют на противоположной боковой стене, направляя луч света поперёк помещения.

Рис. 114. Схема установки гальванометра на боковой стене аудитории

При использовании настольного или бокового размещения осветителя L и зеркальца Z отраженный луч ZO при нулевом положении подвижной системы проходит через середину шкалы (нуль). При этом следует учитывать важнейшее геометрическое ограничение: если шкала KK наклонена или расположена неперпендикулярно к первичному лучу ZO, одинаковым углам поворота зеркальца α соответствуют разные линейные смещения зайчика вправо и влево от нуля.

На наклонной шкале KK каждое деление по мере удаления сверху вниз соответствует все меньшим углам поворота подвижной системы по сравнению со строго перпендикулярной шкалой K₁K₁. Данное закономерное искажение легко проверяется на чертеже путем сопоставления числа делений при равных угловых перемещениях α. Для устранения погрешности нелинейности также применяют схемы с поворотными призмами или угловым монтажом в углу помещения с подвешиванием шкалы к потолку.

Рис. 115. Схема углового размещения гальванометра с ходом луча к потолочной шкале

Рис. 116. Установка гальванометра М-21. Осветитель З дает луч света, направленный вверх и падающий на зеркальце гальванометра 2 после отражения в призме. Луч от зеркальца, в свою очередь, отразившись, падает на шкалу.

5. Электромонтаж, защита от помех и правила эксплуатации. Для обеспечения долговечности чувствительной системы зеркального гальванометра и предотвращения загрязнения оптических элементов пылью прибор необходимо накрывать чехлом из плотной ткани или клеенки. Более предпочтительным защитным устройством является съемный картонный или деревянный кожух (коробка) с техническим отверстием для свободного прохождения светового луча. Очистка внутренних деталей и зеркала от осевшей пыли представляет значительную сложность и может привести к обрыву растяжек или подвеса.

Подводка электрического тока от соединительных клемм демонстрационного стола к высокочувствительному прибору выполняется с соблюдением требований к сопротивлению изоляции. Электромонтаж осуществляют проводами типа ШР на изолирующих роликах или специализированными проводниками с резиновой или поливинилхлоридной (хлорвиниловой) изоляцией. Использование проводов с бумажной изоляцией категорически запрещено из-за высокой гигроскопичности и риска возникновения утечек тока, искажающих результаты микроизмерений. В месте подключения проводов над клеммами демонстрационного стола должна быть нанесена четкая предупреждающая надпись: «Гальванометр».

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.