Демонстрационный школьный гальванометр: устройство и применение

Учебный демонстрационный физический эксперимент играет ключевую роль в формировании у учащихся наглядных представлений об электродинамике. Главным измерительным прибором в школьной лабораторной практике является демонстрационный школьный гальванометр со стрелкой. Данный прибор представляет собой универсальное устройство магнитоэлектрической системы с поворачивающейся катушкой (рис. 137—143), которое при подключении соответствующих добавочных элементов может легко трансформироваться в вольтметр или амперметр.

Несмотря на высокую функциональность, чувствительность школьного гальванометра ограничена, в связи с чем его использование в демонстрационном кабинете физики не исключает необходимости применения более точного зеркального гальванометра. Главное педагогическое достоинство данной учебной модели — открытый измерительный механизм, позволяющий визуализировать базовые физические принципы работы измерительных приборов.

Конструкция измерительного механизма и балансировка. Основой измерительной системы служит подвижная рамка, помещенная в магнитное поле постоянного магнита. На рамке укреплена указующая стрелка. Измерительная шкала прибора снабжена десятью четко видимыми делениями, расположенными симметрично вправо и влево от нулевой отметки.

Для обеспечения высокой точности измерений стрелка прибора должна быть строго уравновешена. Подвижная система (рис. 138) включает рамку A, на которой закреплены два тонких стерженька L, выполняющих функцию противовеса. По этим стерженькам перемещаются регулировочные гайки M.

Рис. 138. Механизм школьного демонстрационного гальванометра.

Тщательная балансировка позволяет добиться того, чтобы стрелка K устойчиво удерживалась на нулевой отметке при любом наклонном положении корпуса прибора. Для точной первоначальной регулировки и установки стрелки на нуль на задней панели устройства предусмотрена головка корректора, поворачиваемая отверткой.

Эволюция конструкции: от встроенных компонентов к внешним модулям. Ранние образцы демонстрационных гальванометров поставлялись со встроенными внутрь корпуса наглухо смонтированными шунтами и добавочными сопротивлениями (рис. 137). Вся шкала прибора соответствовала пределам измерений 1 А; 10 А и 1 В; 10 В. Присоединение к электрической цепи осуществлялось через универсальные клеммы: один проводник (полярность + или - значения не имела) подсоединялся к условно положительной клемме, а второй — к соответствующей измерительной клемме в зависимости от того, использовался ли прибор как амперметр, вольтметр или гальванометр. Выбор режима работы задавался установкой специального штепселя a.

Впоследствии предприятие Главучтехпром перешло на выпуск модифицированных приборов с отдельно прилагаемыми шунтами и сопротивлениями (рис. 139—141). Такое конструктивное решение позволяло расширять пределы измерений:

- по току: до 1 А и 10 А (при подключении шунтов);
- по напряжению: до 1 В и 10 В (при подключении добавочных сопротивлений).

Однако ранние серии приборов обладали существенными недостатками: плохое качество постоянного магнита и погрешности сборки приводили к неточности показаний. В связи с этим методические руководства рекомендовали обязательно поверять приборы по образцовому эталону для определения систематической погрешности. Кроме того, внутреннее размещение схем коммутации (рис. 141) снижало наглядность: учащиеся не могли видеть электрическую схему подключения шунтов и сопротивлений во время эксперимента.

Модернизированная модель гальванометра (1949/50 гг.). В 1949/50 учебном году Главучтехпром запустил в производство принципиально новую модель демонстрационного гальванометра (рис. 143), в которой были устранены ключевые методические недостатки предыдущих поколений.

Рис. 142. Расположение шунтов и сопротивлений на передней панели.

В новой конструкции подключаемые шунты и добавочные сопротивления размещались непосредственно на передней вертикальной стенке корпуса (рис. 142), что обеспечивало полную визуальную прозрачность схемы для всех учащихся в классе.

Рис. 143. Внешний вид демонстрационного гальванометра Главучтехпрома.

Главным техническим усовершенствованием модернизированной модели стала возможность проведения измерений как в цепях постоянного тока, так и в цепях переменного тока.

Измерения в цепях переменного и постоянного тока. Переключение режимов рода тока осуществляется специальным двухполюсным переключателем, расположенным на задней стенке прибора (рис. 144).

Рис. 144. Переключатель рода тока на задней панели.

Переключатель состоит из трех пар контактных гнезд, замыкаемых съемной контактной вилкой:
1. Замыкание верхних гнезд (знак =): прибор подключается напрямую и работает исключительно в цепях постоянного тока.

2. Замыкание средних или нижних гнезд (знак ~): в измерительную цепь последовательно подключается купроксный выпрямитель (полупроводниковый выпрямительный блок), преобразующий переменный ток в пульсирующий постоянный.

Разница между замыканием средних и нижних клемм заключается в направлении отклонения стрелки: в одном случае отсчет производится вправо от нуля, в другом — влево.

Для удобства считывания показаний к прибору прилагаются две двухсторонние сменные шкалы, установка которых производится через удобный прорез в крышке корпуса.

Технические характеристики и комплектация. В стандартный комплект поставки модернизированного демонстрационного гальванометра входят:
- Шунты (2 шт.): с маркировкой 5 А = и 2 А ~;
- Добавочные сопротивления (3 шт.): с маркировкой 5 В =, 15 В = и 15 В ~.

Основные технические параметры прибора:
- Электрическое сопротивление катушки: R = 30 Ом;
- Чувствительность прибора: 0,5 А на одно деление шкалы;
- Период собственных колебаний подвижной системы: t ≈ 5 с;
- Предельная погрешность измерений: менее 0,5 деления шкалы.

Несмотря на методические преимущества, данная модель сохраняет ряд эксплуатационных недостатков: некоторую неудобность переключения между постоянным и переменным током, отсутствие защитного реле от электрических перегрузок, а также невысокое качество зажимных клемм. Впрочем, при соблюдении правил эксплуатации прибор остается надежным учебным пособием для демонстрационных опытов.

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.