Galvanometru

Galvanometrul (de la numele omului de știință Luigi Galvani și cuvântul altor greci μετρέω  - „măsur”) este un dispozitiv extrem de sensibil pentru măsurarea puterii curenților electrici continui mici . Spre deosebire de microampermetrele obișnuite , scara unui galvanometru poate fi gradată nu numai în unități de curent , ci și în unități de tensiune , unități de alte mărimi fizice . Scala poate avea o gradare condiționată, fără dimensiune, de exemplu, atunci când este utilizată ca indicatori nuli .

Istorie

În iunie 1820, Hans Oersted a publicat o descriere a experimentului, pentru care aveți nevoie de:

Rezultat: săgeata se va abate de la direcția meridianului magnetic al Pământului.

Pentru a spori acțiunea actualului Johann Schweigger :

Dispozitivul rezultat a fost numit „multiplicator” și a fost demonstrat la Universitatea din Halle pe 16 septembrie 1820 . „Multiplicatorul” lui Schweigger poate fi considerat primul galvanometru (mai precis, un galvanoscop ).

Termenul „galvanometru” a apărut pentru prima dată în 1836, derivat din numele omului de știință Luigi Galvani .

În 1821, Poggendorf a îmbunătățit designul „multiplicatorului” furnizându-i o scară de măsurare .

În 1823, Avogadro și Michelotti au propus un „multiplicator”, în care săgeata era suspendată pe un fir de mătase peste un sector căptușit (căptușit) (un prototip al scalei ), iar întregul dispozitiv era plasat sub un capac de sticlă [1] .

În 1821, Ampère a proiectat un „aparat astatic”, care consta din două ace magnetice paralele conectate rigid. Polii săgeților erau direcționați în direcții opuse, astfel încât direcția săgeților nu depindea de direcția câmpului magnetic al Pământului . Firele erau suspendate deasupra conductorului. Dispozitivul a arătat că acul magnetic, eliberat de influența câmpului magnetic al Pământului, este orientat perpendicular pe conductorul purtător de curent.

La 13 mai 1825, la o ședință a Academiei din Modena, Leopoldo Nobili [1] a prezentat primul „galvanometru astatic” (vezi  figura ). Aparatul era o combinație a „aparatului astatic” al lui Ampère cu o suspensie pe un fir. Acest instrument a rămas cel mai sensibil tip de galvanometru timp de câteva decenii.

În 1826, Poggendorf a introdus metoda de numărare a oglinzilor, care a fost dezvoltată ulterior de Gauss ( 1832 ) și aplicată în „galvanometrul oglinzii” de Weber ( 1846 ).

În 1825, Antoine Becquerel a propus o schiță pentru un „galvanometru diferențial”.

În 1833, Nerwander a propus primul galvanometru calibrat în unități absolute [2] .

În 1837, Claude Poulier a propus „galvanometrul tangențial” sau „busola tangentă”. Un mic ac magnetic cu un indicator lung de cupru a fost montat pe un ac deasupra unui cerc desenat în grade, a fost plasat în centrul unui inel vertical format dintr-un conductor cu diametrul de  40-50 cm . Înainte de a începe măsurătorile, inelul a trebuit să fie orientat în planul meridianului magnetic al Pământului .

În 1840, Weber a folosit un model îmbunătățit al „galvanometrului tangențial” [3] , în care, în locul unui inel conductor, se foloseau două bobine conectate în serie cu un conductor situat în planuri paralele, iar între ele era plasat un ac magnetic. , care asigura o distributie mai uniforma a campului magnetic creat de curent .

Weber a creat teoria „galvanometrului tangențial”, arătând cum curentul electric poate fi măsurat în unități absolute prin acțiunea sa asupra unui ac suspendat orizontal după ce componenta orizontală a câmpului magnetic al Pământului în unități absolute a fost stabilită. Din acest punct până în jurul anului 1890, au fost folosite diferite tipuri de „galvanometre tangenţiale” pentru măsurători de precizie (de mare precizie) a curentului electric. Laboratoarele de electricitate din acele vremuri nu foloseau structuri de fier care distorsionează câmpul magnetic al Pământului.

Diferite tipuri de „galvanometre tangenţiale” au fost propuse de Helmholtz ( 1849 ), Kohlrausch ( 1882 ).

În 1846, Weber a introdus un „galvanometru electrodinamic”, în care, între două bobine situate vertical în planuri paralele, în loc de busolă , o a treia bobină de dimensiuni mai mici, înfăşurată bifilar , era suspendată pe o bandă [4] . Toate cele trei bobine sunt conectate în serie . Suspensia a orientat bobina mobilă perpendicular pe planul în care sunt instalate bobinele fixe și a asigurat un moment de contracarare. Când curentul curge în circuit, bobina mobilă tinde să se orienteze paralel cu celelalte. O oglindă a fost folosită ca indicator .

În 1858, William Thomson (Lord Kelvin) a dezvoltat și patentat „galvanometrul în oglindă” (vezi figura ) pentru telegraful transatlantic subacvatic . Galvanometrul era [5] o bobină verticală masivă de sârmă de cupru în izolație de mătase în centrul căreia se afla o mică cavitate. Patru magneți miniaturali au fost lipiți de spatele unei oglinzi suspendate de un fir de mătase în această cavitate. Magneții au format un sistem astatic, influența câmpului magnetic al Pământului a fost compensată suplimentar prin instalarea unui magnet permanent deasupra dispozitivului. Prin schimbarea înălțimii magnetului a fost posibilă reglarea sensibilității dispozitivului. Când un curent a fost trecut prin bobină, oglinda s-a întors, deviând fasciculul de lumină incidentă. În acest caz, rezistența aerului experimentată de oglindă în timpul rotației, datorită unui mic spațiu între marginea oglinzii și pereții cavității, a făcut posibilă amortizarea fluctuațiilor aleatorii ale semnalului măsurat. Galvanometrul era foarte sensibil. Proiecția unui punct de lumină pe ecran a permis observatorului să stabilească fluctuațiile nivelului semnalului în timpul transmiterii unui mesaj, indiferent de deplasarea în poziția zero și, în același timp, datorită amortizarii eficiente, a făcut posibilă pentru a primi mai multe semnale pe unitatea de timp. Dispozitivul a fost folosit ca parte a telegrafului transatlantic până în 1870 .

Marcel Despres a sugerat plasarea unui ac de fier între polii unui magnet permanent puternic , al cărui câmp orientează acul într-un mod similar cu acțiunea câmpului magnetic al Pământului. Bobina care înconjoară săgeata este plasată astfel încât curentul, dimpotrivă, tinde să fixeze săgeata perpendicular pe această direcție. Un astfel de dispozitiv ar putea fi folosit în apropierea structurilor metalice și chiar a dinamurilor de lucru [2] .

În 1881 [6] Jacques-Arsene d'Arsonval și Marcel Despres au dezvoltat un galvanometru [7] (vezi figura ) cu o bobină mobilă realizată dintr-un conductor înfășurat pe un cadru dreptunghiular și suspendat între polii unui magnet permanent. Curentul măsurat era furnizat bobinei de-a lungul unei benzi metalice pe care era suspendat, momentul de contracarare era creat de un arc elicoidal [8] . O oglindă montată pe o bobină a fost folosită ca indicator . În interiorul bobinei a fost plasat un cilindru fix din fier moale , care a asigurat o distribuție uniformă a fluxului magnetic pentru diferite poziții ale bobinei. Din acest motiv, deviația cadrului este direct proporțională cu curentul din bobină, iar galvanometrul d'Arsonval-Deprez, spre deosebire de modelele anterioare, are o scară uniformă. Acest dispozitiv a servit ca prim exemplu de mecanism de măsurare magnetoelectric .

În 1888, Edward Weston a introdus [9] o serie de îmbunătățiri la designul lui D'Arsonval-Deprez:

Ultimele două soluții sunt tipice pentru instrumentele relativ mai grosiere cu un comparator.

Cum funcționează

Cel mai adesea, un galvanometru este utilizat ca instrument de măsurare analogic . Folosit pentru a măsura curentul continuu care curge într-un circuit .

Galvanometrele de design d'Arsonval /Weston utilizate astăzi sunt realizate cu o bobină rotativă mică în câmpul unui magnet permanent . O săgeată este atașată la bobină. Un arc mic readuce bobina cu o săgeată în poziția zero. Când un curent continuu trece printr-o bobină, în ea este creat un câmp magnetic . El interacționează cu câmpul unui magnet permanent , iar bobina, împreună cu săgeata, se rotește, indicând curentul electric care circulă prin bobină .

Sensibilitatea de bază a unui galvanometru poate fi, de exemplu, 100  µA ( cu o cădere de tensiune de, să zicem, 50  mV , la curent complet). Prin utilizarea șunturilor , curenții mari pot fi măsurați.

Deoarece acul instrumentului se află la o distanță mică de scară, poate apărea paralaxa . Pentru a o evita, o oglindă este plasată sub săgeată. Aliniind săgeata cu reflexia dvs. din oglindă, paralaxa poate fi evitată.

Soiuri și dispozitiv

Galvanometru magnetoelectric

Un galvanometru magnetoelectric [10] este un cadru conductor (înfășurat de obicei cu un fir subțire) fixat pe o axă în câmpul magnetic al unui magnet permanent . În absența curentului în cadru, cadrul este ținut de un arc într-o anumită poziție zero. Dacă curentul trece prin cadru , atunci cadrul se abate cu un unghi proporțional cu puterea curentului, în funcție de rigiditatea arcului și de inducția câmpului magnetic. Săgeata atașată cadrului arată valoarea curentă în acele unități în care scala galvanometrului este calibrată.

Sistemul magnetoelectric diferă de alte modele prin cea mai mare liniaritate a gradării scalei dispozitivului (în unități de curent sau tensiune ) și cea mai mare sensibilitate (valoarea minimă a curentului total de deviație al acului).

Galvanometru electromagnetic

Un galvanometru electromagnetic este din punct de vedere istoric primul proiect al unui galvanometru. Conține o bobină fixă ​​cu curent și un magnet mobil (în dispozitivele cu curent continuu ) sau un miez din material magnetic moale (pentru dispozitivele care măsoară atât curentul continuu, cât și curentul alternativ ), tras în bobină sau rotit față de aceasta.

Acest design se caracterizează printr-o simplitate mai mare, absența necesității de a face bobina cât mai mică posibil ca dimensiune și greutate (ceea ce este necesar pentru un sistem magnetoelectric), absența problemei de alimentare cu curent a bobinei în mișcare. Cu toate acestea, astfel de dispozitive se disting printr-o neliniaritate semnificativă a scalei (datorită neuniformității câmpului magnetic al miezului și a efectelor marginilor bobinei) și complexitatea corespunzătoare a calibrării. Cu toate acestea, utilizarea acestui design de dispozitive ca ampermetre de curent alternativ cu o valoare relativ mare este justificată de simplitatea mai mare a designului și de absența elementelor de redresare și șunturi suplimentare . Voltmetrele de curent alternativ și continuu ale sistemului electromagnetic sunt cele mai convenabile pentru monitorizarea unui interval restrâns de valori ale tensiunii , deoarece secțiunea inițială a scalei instrumentului este puternic comprimată, iar secțiunea controlată poate fi întinsă.

Galvanometru tangențial

Galvanometrul tangențial este unul dintre primele galvanometre utilizate pentru măsurarea curentului electric . Funcționează cu o busolă care este folosită pentru a compara câmpul magnetic generat de un curent necunoscut cu câmpul magnetic al Pământului. Dispozitivul și-a primit numele de la legea tangențială a magnetismului, care afirmă că tangenta unghiului de înclinare a acului magnetic este proporțională cu raportul forțelor a două câmpuri magnetice perpendiculare. A fost descris pentru prima dată de Claude Poulier în 1837 .

Un galvanometru tangenţial constă dintr-o bobină din sârmă de cupru izolată înfăşurată pe un cadru nemagnetic aşezat vertical. Cadrul poate fi rotit în jurul unei axe verticale care trece prin centrul său. Busola este poziționată orizontal și în centrul cadranului. Cadranul este împărțit în patru cadrane, fiecare gradat de la 0° la 90°. Un indicator lung din aluminiu este atașat de acul busolei magnetice . Pentru a evita erorile datorate paralaxei , sub săgeată este instalată o oglindă plată .

În timpul funcționării, galvanometrul este setat astfel încât acul busolei să coincidă cu planul bobinei. Curentul de măsurat este apoi aplicat bobinei. Curentul creează un câmp magnetic pe axa bobinei, perpendicular pe câmpul magnetic al Pământului. Săgeata reacționează la suma vectorială a două câmpuri și deviază cu un unghi egal cu tangentei raportului acestor câmpuri.

Teorie

Galvanometrul este orientat astfel încât planul bobinei să fie paralel cu meridianul magnetic al Pământului , adică componenta orizontală a câmpului magnetic al Pământului. Când curentul trece printr-o bobină, se creează un câmp magnetic în bobină care este perpendicular pe bobină. Mărimea câmpului magnetic:

Unde:

  •  - curent , A ;
  •  - numărul de spire ale bobinei;
  •  este raza bobinei.

Două câmpuri perpendiculare sunt adăugate vectorial și acul busolei deviază cu un unghi egal cu:

Din legea tangenţială

acesta este

sau

sau

unde  este factorul de reducere al galvanometrului tangențial.

Una dintre problemele unui galvanometru tangențial este dificultatea de a măsura curenți foarte mari și foarte mici.

Măsurarea câmpului magnetic al Pământului

Un galvanometru tangenţial poate fi, de asemenea, utilizat pentru a măsura componenta orizontală a câmpului geomagnetic . Pentru a face acest lucru, o tensiune de alimentare scăzută este conectată în serie cu un reostat , galvanometru și ampermetru . Galvanometrul este poziționat astfel încât acul magnetic să fie paralel cu bobina, în absența curentului în ea . Apoi se aplică bobinei o tensiune, care este ajustată de un reostat la o astfel de valoare încât săgeata deviază cu un unghi de 45 ° și mărimea câmpului magnetic de pe axa bobinei devine egală cu componenta orizontală a geomagneticului Pământului. camp. Acest câmp poate fi calculat din curentul măsurat de ampermetru, numărul de spire ale bobinei și raza acesteia.

Galvanometru electrodinamic

Bobinele cu curent sunt folosite ca element mobil și fix. Un caz special este un wattmetru analog de joasă frecvență .

Galvanometru vibrant

Galvanometrele cu vibrații sunt un tip de galvanometre cu oglindă. Frecvența naturală a pieselor în mișcare este reglată la o frecvență strict definită, de obicei 50 sau 60  Hz . Sunt posibile  frecvențe mai mari de până la 1 kHz . Deoarece frecvența depinde de masa pieselor în mișcare, galvanometrele de înaltă frecvență sunt foarte mici. Reglarea galvanometrului vibrant se realizează prin schimbarea forței de tensionare a arcului.

Galvanometrele cu vibrații AC sunt proiectate pentru a determina valori mici ale curentului sau tensiunii . Partea mobilă a unor astfel de dispozitive are un moment de inerție destul de scăzut . Utilizarea lor cea mai frecventă este ca indicatori nuli în podurile și comparatoarele AC . Rezonanța ascuțită a oscilațiilor într-un galvanometru vibrant îl face foarte sensibil la modificările frecvenței curentului măsurat și poate fi folosit pentru reglarea fină a instrumentelor.

Galvanometru termic

Un galvanometru termic constă dintr- un conductor cu un curent care se extinde atunci când este încălzit și un sistem de pârghie care transformă această extensie în mișcarea unei săgeți.

Galvanometru aperiodic

Aperiodic se numește galvanometru, al cărui acul, după fiecare abatere, devine imediat în poziția de echilibru, fără oscilații prealabile, așa cum este cazul unui galvanometru simplu [11] .

Alte elemente și caracteristici de design

  • elemente de echilibrare. În absența acestora, galvanometrul este proiectat să funcționeze fie numai în poziția orizontală a scalei, fie numai în poziția verticală.
  • Arretir  - elemente structurale ale dispozitivului, asigurand fixarea mecanismului in pozitia de transport, nefunctional.
  • Amortizorul este aer (sub formă de petală care se mișcă în interiorul unui profil special) sau electromagnetic (bobină în scurtcircuit). Servește la minimizarea timpului de măsurare. Este posibil să nu fie prezent într-un galvanometru balistic.
  • Arcurile, de regulă, sunt conductoare prin care curentul este furnizat cadrului unui magnetoelectric sau cadrului mobil al unui dispozitiv electrodinamic. În unele modele, conductorii pe care este întins cadrul sunt axa și, în același timp, arcurile de torsiune.
  • Fixarea unuia dintre arcuri se face rotativă și servește la setarea indicatorului în poziția zero a scalei în absența curentului.
  • Ca și în alte instrumente de măsurare a indicatorului, scara , pe lângă gradare, poate avea o oglindă pentru a crește acuratețea citirii citirilor instrumentului , în care o parte din indicatorul instrumentului este reflectată. Oglinda facilitează poziționarea corectă a ochiului observatorului, în care direcția privirii este perpendiculară pe planul scalei.

Galvanometru oglindă

O precizie mare de măsurare, precum și cea mai mare viteză de reacție a săgeții, pot fi obținute folosind un galvanometru cu oglindă, în care o oglindă mică este folosită ca indicator. Rolul săgeții este jucat de un fascicul de lumină reflectat de oglindă. Galvanometrul cu oglindă a fost inventat în 1826 de Johann Christian Poggendorf .

Galvanometrele cu oglindă au fost utilizate pe scară largă în știință înainte de a fi inventate amplificatoare electronice mai fiabile și mai stabile . Ele sunt utilizate pe scară largă ca dispozitive de înregistrare în seismometre și cabluri de comunicații submarine . În prezent, galvanometrele cu oglindă de mare viteză sunt folosite în spectacolele cu laser pentru a muta razele laser și pentru a crea forme colorate în fumul din jurul publicului. Unele tipuri de astfel de galvanometre sunt folosite pentru marcarea cu laser a diferitelor lucruri: de la unelte de mână la cristale semiconductoare .


Aplicație

Instrumente de măsură

Galvanometrul este elementul de bază pentru construirea altor instrumente de măsură . Pe baza unui galvanometru, este posibil să construiți un ampermetru și un voltmetru DC cu o limită de măsurare arbitrară.

Pentru a obține un ampermetru , este necesar să conectați un rezistor de șunt în paralel cu galvanometrul.

Pentru a obține un voltmetru , trebuie să conectați un rezistor de stingere ( rezistență suplimentară ) în serie cu un galvanometru.

Dacă nu sunt conectate rezistențe suplimentare la galvanometru , atunci acesta poate fi considerat atât un ampermetru, cât și un voltmetru (în funcție de modul în care este inclus galvanometrul în circuit și de modul în care sunt interpretate citirile).

Contor de expunere, termometru

În combinație cu un senzor de lumină ( fotodiodă ) sau de temperatură (termocuplu) , galvanometrul poate fi folosit ca expozitor fotografic, respectiv contor de diferență de temperatură etc.

Galvanometru balistic

Pentru a măsura sarcina care curge prin galvanometru sub forma unui singur impuls scurt, se folosește un galvanometru balistic , în care nu se observă deformarea cadrului, ci respingerea maximă a acestuia după trecerea pulsului.

Indicator nul

Galvanometrul este folosit și ca indicator (indicator zero) al absenței curentului ( tensiunii ) în circuite . Pentru a face acest lucru, de obicei se realizează cu poziția zero a săgeții în mijlocul scalei.

Înregistrarea mecanică a semnalelor electrice

Galvanometrele sunt folosite pentru poziționarea scriburilor în osciloscoape , cum ar fi electrocardiografele analogice. Ele pot avea un răspuns în frecvență de 100  Hz și o deviație de câțiva centimetri . În unele cazuri (cu encefalograf) galvanometrele sunt atât de puternice încât scriitorii care sunt în contact direct cu hârtia se mișcă. Mecanismul lor de scriere poate fi bazat pe cerneală lichidă sau pe scripe încălzite care se deplasează pe hârtie termică. În alte cazuri, galvanometrele nu trebuie să fie atât de puternice: contactul cu hârtia are loc periodic, deci este nevoie de mai puțin efort pentru deplasarea scriburilor.

Scanare optică

Sistemele galvanometre cu oglindă sunt utilizate pentru poziționare în sisteme optice cu laser. Acestea sunt de obicei mașini de mare putere, cu un răspuns în frecvență mai mare de  1 kHz .

Starea actuală

În condiții moderne, convertoarele analog-digitale și dispozitivele cu procesare digitală a semnalului și indicarea numerică a valorilor înlocuiesc galvanometrele ca instrumente de măsurare, în special ca parte a universale ( avometre ) și în condiții de funcționare dificile din punct de vedere mecanic.

Recepția, stocarea și prelucrarea datelor în sisteme informatice din punct de vedere al flexibilității depășește semnificativ toate metodele de fixare a semnalelor electrice de către reportofone pe hârtie.

Galvanometrele cu oglindă și-au pierdut importanța și în sistemele de scanare, mai întâi odată cu apariția dispozitivelor cu raze catodice și, acolo unde este necesar, controlul fluxului de lumină externă odată cu apariția dispozitivelor piezoelectrice eficiente și a mediilor cu proprietăți controlate (de exemplu, cristale lichide ). Cu toate acestea, pe baza galvanometrelor cu oglindă, sunt produse dispozitive pentru deviarea unui fascicul laser în tehnologia laser și instalații pentru spectacole cu laser  .

Vezi și

Note

  1. ↑ 1 2 Mario Gliozzi Istoria fizicii - M .: Mir, 1970 - S. 252.
  2. ↑ 1 2 Galvanometru // Dicționar enciclopedic al lui Brockhaus și Efron  : în 86 de volume (82 de volume și 4 suplimentare). - Sankt Petersburg. , 1890-1907.
  3. ↑ Joseph F. Keithley. Povestea măsurătorilor electrice și magnetice: din 500 î.Hr. până în anii 1940. — New York: IEEE Press, 1999. ISBN 0-7803-1193-0. — p. 113 Arhivat 27 septembrie 2021 la Wayback Machine .
  4. ↑ F. Keithley. Povestea măsurătorilor electrice și magnetice: din 500 î.Hr. până în anii 1940. — New York: IEEE Press, 1999. ISBN 0-7803-1193-0. - pagina 114 . Preluat la 2 octombrie 2017. Arhivat din original la 27 septembrie 2021.
  5. ↑ J.Munro. Eroii Telegrafului. - Proiectul Gutenberg, 1999  (link indisponibil)
  6. ↑ Diverse surse dau date între 1880 și 1886. Este probabil ca dispozitivul cu bobină mobilă brevetat de D'Arsonval în 1881 să fi fost îmbunătățit în continuare.
  7. ↑ Joseph F. Keithley. Povestea măsurătorilor electrice și magnetice: din 500 î.Hr. până în anii 1940. — New York: IEEE Press, 1999. ISBN 0-7803-1193-0. - p. 196 . Preluat la 2 octombrie 2017. Arhivat din original la 27 septembrie 2021.
  8. ↑ Video arhivat 27 august 2016 la Wayback Machine cu o scurtă descriere a galvanometrului D'Arsonval-Dupré.
  9. ↑ Measuring invisibles Weston Electrical Instrument Corporation 1938 Newark NJ - p. 22 Arhivat la 1 octombrie 2021 la Wayback Machine .
  10. ↑ Galvanometru // Dicționar de științe naturale.
  11. ↑ Galvanometru aperiodic // Dicționar enciclopedic al lui Brockhaus și Efron  : în 86 de volume (82 de volume și 4 suplimentare). - Sankt Petersburg. , 1890-1907.

Literatură

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice
 Instrumente electrice de masura