Зеркальный гальванометр «Фи» Улитовского: устройство и физические принципы

Введение и теоретический контекст. В истории отечественного приборостроения и высокоточных физических измерений особое место занимают магнитоэлектрические измерительные приборы. Среди них выделяется зеркальный гальванометр типа «Фи», разработанный под руководством выдающегося советского ученого-физика А. В. Улитовского и выпускавшийся мастерскими АНИИ.

Принцип действия данного высокочувствительного прибора основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и электрического тока, протекающего по рамке подвижной системы. Главным достоинством, которым обладает зеркальный гальванометр Улитовского, является его уникальная конструкция: прибор не требует трудоемкой юстировки по уровню или отвесу перед началом работы, так как представляет собой самонивелирующуюся измерительную систему.

Конструктивные особенности и устройство гальванометра типа «Фи». Физико-механическая схема прибора спроектирована с учетом требований максимальной защиты подвижной части от внешних механических воздействий и колебаний основания.

Конструкция состоит из внешнего металлического кожуха и внутреннего измерительного узла. Ниже представлено подробное устройство составляющих элементов согласно рабочей схеме.

Рис. 149. Устройство гальванометра типа «Фи» системы Улитовского.

Электромеханическая система и подвес. Измерительный механизм заключен в защитную трубку-кожух 1. Внутри кожуха расположено изоляционное основание 2, на котором смонтирована стойка 4 с ярмом 5 и постоянным магнитом 6.

Подвижный элемент — рамка 7 — подвешена на тонкой металлической нити подвеса 8, верхний конец которой припаян к корректору нулевого положения 3. Измеряемый электрический ток подводится к измерительной рамке 7 через верхнюю нить подвеса 8 и нижнюю токопроводящую спираль 9, соединенную с отводом 32.

Через внутренние проводники 33 отвод и нить соединены с наружными зажимами 14, предназначенными для включения гальванометра в исследуемую электрическую цепь.

Самонивелирующийся механизм и оптика. Автоматическая установка прибора в вертикальное положение достигается за счет применения карданного узла. В основании 2 смонтирована петля карданного подвеса 12, снабженная противовесом 34. Сверху на основание посажено защитное колесо 35. Петля кардана 12 подвешивается на крючок 30, укрепленный на верхней крышке 13, где также предусмотрен зажим 15 для фиксации гальванометра на несущем штыре 16. В рабочем состоянии основание вместе с корпусом свободно висит на карданном подвесе.

Оптическая система гальванометра служит для визуализации незначительных угловых перемещений рамки:
1. К нижней части рамки на держателе 36 жестко прикреплено сферическое зеркало 10.
2. В корпусе прибора напротив зеркала выполнено смотровое окно, закрытое защитным плоскопараллельным стеклом 11.
3. Для защиты подвижной системы при транспортировке используется арретир, управляемый кнопкой 31 на задней стенке кожуха через скользящую пластину 37. При измерениях кнопка арретира 31 переводится в нижнее положение.

Оптический осветитель и отсчетная шкала. Для снятия показаний методом светового рычага (метод Поггендорфа) применяется специализированный выносной осветитель и отсчетная шкала.

Устройство осветительного узла. Осветитель состоит из двух шарнирно соединенных трубок, регулируемой штанги и зеркального узла:
- Верхняя трубка 38 имеет отверстие А для надевания на штырь 16 и нижнее отверстие Б для жесткого крепежа к стене шурупом.

- Подвижная трубка 29 соединена с верхней при помощи плоского шарнира, меняющего угол наклона.
- Внутри трубки 29 на трении установлен стержень 24 с угольником 40 и хомутом 27, фиксирующим корпус патрона 25.

- В хомуте предусмотрен скрепляющий винт 20, к которому под гайку 28 подключается один провод питания лампы; второй провод подводится к зажиму 21 в основании патрона. Источником света служит лампочка от фонаря с S-образной нитью накала, рассчитанная на напряжение 2,5–3,5 В.
- В основание трубки 39 вставляется выносная вилка 41 с качающейся дужкой 23, несущей плоское зеркало 19. Поворот зеркала осуществляется кнопкой 22.

Отсчетное устройство. Показания отсчитываются по бумажной шкале 17 с защитным лаковым покрытием. Шкала имеет миллиметровые деления с градуировкой 250—0—250 мм. Концы ленты заправлены в валики шкалодержателей 42 и поджимаются пружинами 43. Натяжение шкалы регулируется гайкой 44, а угол наклона к стене устанавливается гайками 45 на кронштейнах.

Методика установки, юстировки и эксплуатации. Для достижения высокой точности измерений при работе с прибором «Фи» необходимо строго соблюдать последовательность монтажа и настройки.

Пошаговый алгоритм монтажа
1. Закрепление основания: В стену вбивается несущий штырь 16. Через отверстие А на него надевается верхняя трубка 38 осветителя, а через отверстие Б осветитель жестко фиксируется шурупом строго вертикально. Качка осветителя недопустима.

2. Монтаж шкалы: На расстоянии 1 м от плоского зеркала 19 под прибором на стене дюбелями или шурупами крепятся шкалодержатели 42. Расстояние между кронштейнами должно составлять 600–650 мм. Кронштейны устанавливаются под углом порядка 45° к плоскости стены.

3. Подвешивание прибора: Крышка 13 осторожно освобождается от посадки на основание 2, чтобы внутренний корпус свободно повис на карданном подвесе 12. Гальванометр за зажим 15 подвешивается на штырь 16. Прибор должен висеть свободно, не касаясь элементов осветителя.

4. Юстировка оптики: После успокоения системы проверяется положение сферического зеркала 10 относительно окна 11. При необходимости коррекция выполняется поворотом корректора 3. Плоскопараллельное зеркало 19 протирается ваткой и устанавливается под углом ~45° наклоном вниз.

Настройка светового указателя («зайчика»). Патрон лампы поворачивается так, чтобы световой поток попал на центр зеркала 19, а от него — на сферическое зеркало 10. Световая отметка выводится на шкалу 17.

Для настройки качества изображения применяются следующие операции:
- Фокусировка: Изменением положения стержня 24 относительно трубки 29 добиваются чётких границ светового пятна.
- Устранение перекоса: Патрон 25 поворачивается в хомуте 27 до тех пор, пока световая нить не станет строго параллельна вертикальным штрихам шкалы.
- Установка нуля: Трубка 29 поворачивается влево/вправо до совпадения «зайчика» с нулевой отметкой. Для точной доводки используются валики шкалодержателей 42.
- Коррекция траектории: Если при отклонении рамки световая отметка перемещается по диагонали, производитель рекомендует устранить косой ход поворотом зеркала 19 с помощью кнопки 22.

Прибор готов к проведению измерений после проверки устойчивости возврата светового указателя на нуль при неоднократном размыкании цепи.

Академическое значение и учебные модели гальванометров. Зеркальные гальванометры сыграли ключевую роль не только в лабораторных исследованиях, но и в становлении методики преподавания физики.

Учебные гальванометры с открытым механизмом. В учебных заведениях СССР широкое распространение получили приборы с демонстрационной открытой конструкцией, выпускавшиеся Вятской фабрикой учебных и наглядных пособий.

Рис. 150. Гальванометр с открытым механизмом для демонстрационных целей.

Главное методическое достоинство данных приборов заключалось в наглядности: студенты и учащиеся могли визуально проследить взаимосвязь между углом поворота катушки, жесткостью подвеса и величиной протекающего тока.

Создание лабораторной модели своими руками. В рамках практикума по экспериментальной физике демонстрационный гальванометр может быть собран из базовых элементов.

Рис. 151–152. Конструктивные детали и узлы самодельного гальванометрического механизма.

Для сборки действующего аналога используются следующие материалы и компоненты:
1. Магнитная система: Используется постоянный U-образный магнит. Для изготовления сердечника В применяют железный цилиндр (например, из стандартного школьного набора тел равного объема), укороченный на 1/3 и подвергнутый отжигу с последующим медленным охлаждением для снижения коэрцитивной силы.

2. Полюсные наконечники: Изготавливаются из двух половинок отожженной стальной водопроводной трубы (детали С).

3. Подвижная катушка: Наматывается на тонкий каркас из жести или картона (деталь А) высокоомным изолированным проводом диаметром ~0,008 мм в два слоя. На каркасе фиксируется зеркальце Z или лёгкая указательная стрелка.

4. Подвес и токоподвод: Рамка подвешивается на мягкую медную проволоку D диаметром ~0,05 мм. Нижний токоподвод выполняется в виде спирали P из аналогичной проволоки.

5. Корректор: Нулевое положение регулируется с помощью штепсельного механизма (детали D, E), смонтированного на деревянной станине.

Заключение. Самонивелирующийся зеркальный гальванометр «Фи» Улитовского представляет собой выдающийся образец инженерной мысли в области магнитоэлектрических измерений. Сочетание карданного подвеса, высокочувствительной растяжки и метода оптического рычага позволило достичь высокой точности измерений без применения сложных процедур выравнивания. До сих пор принципы, заложенные в конструкцию гальванометра «Фи», служат важным наглядным материалом для изучения электродинамики и теории физического эксперимента.

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.