Galvanométer

A galvanométer (a tudós Luigi Galvani nevéből és a másik görög μετρέω szóból - „ mérem ”) egy rendkívül érzékeny eszköz kis egyenáramok erősségének  mérésére . A hagyományos mikroampermérőktől eltérően a galvanométer skálája nem csak az áram , hanem a feszültség mértékegységeiben, más fizikai mennyiségek egységeiben is besorolható . A skála rendelkezhet feltételes, dimenzió nélküli beosztással, például nulla mutatóként használva .

Történelem

1820 júniusában Hans Oersted közzétette a kísérlet leírását, amelyhez szüksége van:

Eredmény: a nyíl el fog térni a Föld mágneses meridiánjának irányától.

A jelenlegi Johann Schweigger akciójának fokozása érdekében :

Az így kapott eszközt "sokszorozónak" nevezték, és a Halle -i Egyetemen mutatták be 1820. szeptember 16- án . Schweigger „szorzóját” tekinthetjük az első galvanométernek (pontosabban galvanoszkópnak ).

A "galvanométer" kifejezés először 1836 -ban jelent meg, Luigi Galvani tudós nevéből származik .

1821- ben Poggendorf mérőskálával ellátva javította a "szorzó" kialakítását .

1823- ban Avogadro és Michelotti egy "sokszorozót" javasolt, amelyben a nyilat egy selyemszálra függesztették fel egy bélelt (bélelt) szektorra ( a mérleg prototípusa ), és az egész eszközt üvegkupak alá helyezték [1]. .

Ampère még 1821-ben tervezett egy "asztatikus készüléket", amely két mereven összekapcsolt párhuzamos mágnestűből állt. A nyilak pólusai ellentétes irányúak voltak, így a nyilak iránya nem függött a Föld mágneses mezejének irányától. A szálak a vezető felett voltak felfüggesztve. A készülék kimutatta, hogy a Föld mágneses mezejének hatásától megszabadított mágnestű merőlegesen áll az áramvezetőre.

1825. május 13-án, a Modenai Akadémia ülésén Leopoldo Nobili [1] bemutatta az első "asztatikus galvanométert" (lásd  az ábrát ). A készülék az Ampère -féle „asztatikus apparátus” kombinációja volt egy meneten felfüggesztett felfüggesztéssel. Ez a műszer évtizedekig a legérzékenyebb galvanométer típus maradt.

1826- ban Poggendorf bevezette a tükörszámlálás módszerét, amelyet később Gauss ( 1832 ) fejlesztett ki, és Weber ( 1846 ) alkalmazott a "tükör galvanométerben" .

1825 -ben Antoine Becquerel vázlatot javasolt egy „differenciál-galvanométerhez”.

1833- ban Nerwander javasolta az első abszolút mértékegységben kalibrált galvanométert [2] .

1837- ben Claude Poulier javasolta az "érintős galvanométert" vagy "tangens iránytűt". Fokokban húzott kör fölé egy kis mágneses tűt rögzítettünk egy hosszú rézmutatóval , és egy 40-50 cm átmérőjű vezetőből készült függőleges gyűrű közepére helyeztük  . A mérések megkezdése előtt a gyűrűt a Föld mágneses meridiánjának síkjában kellett elhelyezni .

1840- ben Weber a „tangenciális galvanométer” továbbfejlesztett modelljét alkalmazta [3] , amelyben a vezetőgyűrű helyett két, párhuzamos síkban elhelyezkedő vezetővel sorba kapcsolt tekercset használtak, amelyek közé mágneses tűt helyeztek. , amely az áram által létrehozott mágneses tér egyenletesebb eloszlását biztosította .

Weber megalkotta a "tangenciális galvanométer" elméletét, amely bemutatja, hogyan lehet az elektromos áramot abszolút egységekben mérni egy vízszintesen felfüggesztett tűn, miután a Föld mágneses mezőjének vízszintes összetevőjét meghatározták abszolút egységekben. Ettől kezdve körülbelül 1890-ig különféle "tangenciális galvanométereket" használtak az elektromos áram precíziós (nagyon pontos) mérésére. Az elektromos laboratóriumok akkoriban nem használtak olyan vasszerkezeteket, amelyek torzították volna a Föld mágneses terét.

A "tangenciális galvanométerek" különféle típusait Helmholtz ( 1849 ), Kohlrausch ( 1882 ) javasolta.

1846- ban Weber bevezetett egy "elektrodinamikus galvanométert", amelyben két függőlegesen, párhuzamos síkban elhelyezett tekercs közé iránytű helyett egy szalagra függesztettek fel egy kisebb méretű, kétszálasan tekercselt tekercset [4] . Mindhárom tekercs sorba van kötve . A felfüggesztés a mozgó tekercset merőlegesen irányította arra a síkra, amelybe a rögzített tekercsek be vannak szerelve, és ellennyomatékot biztosított. Amikor áram folyik az áramkörben, a mozgó tekercs hajlamos a többivel párhuzamosan orientálódni. Mutatóként tükröt használtak .

1858- ban William Thomson (Lord Kelvin) kifejlesztette és szabadalmaztatta "tükör galvanométerét" (lásd az ábrát ) a víz alatti transzatlanti távíróhoz . A galvanométer [5] egy masszív, függőleges rézdrót tekercs volt selyemszigeteléssel , amelynek közepén egy kis üreg volt. Ebben az üregben egy selyemszálra felfüggesztett tükör hátuljára négy miniatűr mágnest ragasztottak. A mágnesek asztatikus rendszert alkottak, a Föld mágneses mezejének hatását ezen felül egy állandó mágnes felszerelésével kompenzálták a készülék tetejére. A mágnes magasságának változtatásával lehetett állítani a készülék érzékenységét. Amikor áram haladt át a tekercsen, a tükör megfordult, és eltérítette a beeső fénysugarat. Ebben az esetben a tükör által a forgás során tapasztalt légellenállás a tükör széle és az üreg falai közötti kis hézag miatt lehetővé tette a mért jel véletlenszerű ingadozásainak csillapítását. A galvanométer nagyon érzékeny volt. Egy fényfolt vetítése a képernyőre lehetővé tette a megfigyelő számára, hogy az üzenet továbbítása során a jelszint ingadozásait a nulla pozíció eltolódásától függetlenül rögzítse, ugyanakkor a hatékony csillapítás révén lehetővé tette. hogy időegységenként több jelet kapjon. A készüléket 1870 -ig a transzatlanti távíró részeként használták .

Marcel Despres azt javasolta, hogy helyezzenek vastűt egy erős állandó mágnes pólusai közé , amelynek tere a tűt a Föld mágneses mezejének működéséhez hasonló módon irányítja. A nyilat körülvevő tekercs úgy van elhelyezve, hogy az áram éppen ellenkezőleg, a nyilat erre az irányra merőlegesen állítsa. Egy ilyen eszköz használható fémszerkezetek, sőt működő dinamók közelében is [2] .

1881- ben [6] Jacques-Arsene d'Arsonval és Marcel Despres kifejlesztett egy galvanométert [7] (lásd az ábrát ), amelynek mozgó tekercsét egy téglalap alakú keretre tekercselt vezetőből készítették, és egy állandó mágnes pólusai közé függesztették fel. A mért áramot egy fémszalag mentén vezettük a tekercshez, amelyre felfüggesztették, az ellennyomatékot csavarrugó hozta létre [8] . Mutatóként egy tekercsre szerelt tükröt használtak . A tekercs belsejében rögzített lágyvas hengert helyeztek el , amely a tekercs különböző pozícióihoz biztosította a mágneses fluxus egyenletes eloszlását. Emiatt a keret elhajlása egyenesen arányos a tekercs áramával , és a d'Arsonval-Deprez galvanométer a korábbi kialakításoktól eltérően egységes skálájú. Ez az eszköz volt az első példa a magnetoelektromos mérőmechanizmusra .

1888- ban Edward Weston számos fejlesztést vezetett be [9] D'Arsonval-Deprez tervében:

Az utolsó két megoldás a viszonylag durvább, számlapjelzős műszerekre jellemző.

Hogyan működik

Leggyakrabban galvanométert használnak analóg mérőműszerként . Az áramkörben folyó egyenáram mérésére szolgál .

A ma használatos d'Arsonval /Weston tervezésű galvanométerek egy kis forgótekerccsel készülnek az állandó mágnes terében . A tekercsre nyíl van rögzítve. Egy kis rugó visszahelyezi a tekercset egy nyíllal a nulla pozícióba. Amikor egy tekercsen egyenáram halad át, abban mágneses tér jön létre . Kölcsönhatásba lép az állandó mágnes mezőjével , és a tekercs a nyíllal együtt elfordul, jelezve a tekercsen átfolyó elektromos áramot .

A galvanométer alapérzékenysége lehet például 100  µA ( mondjuk 50  mV feszültségeséssel , teljes áram mellett). Sönt segítségével nagy áramok mérhetők.

Mivel a műszertű kis távolságra van a mérlegtől, parallaxis léphet fel . Ennek elkerülése érdekében a nyíl alá tükröt helyeznek. A parallaxis elkerülhető, ha a nyilat a tükör tükörképéhez igazítja.

Fajták és eszköz

Magnetoelektromos galvanométer

A magnetoelektromos galvanométer [10] egy vezetőképes keret (általában vékony huzallal feltekercselve), amely egy állandó mágnes mágneses mezőjében egy tengelyen van rögzítve . A keretben áram hiányában a keretet egy rugó tartja egy bizonyos nulla pozícióban. Ha a kereten áram folyik át , akkor a keret az áramerősséggel arányos szögben tér el, a rugó merevségétől és a mágneses tér indukciójától függően. A kerethez csatolt nyíl mutatja az aktuális értéket azokban a mértékegységekben, amelyekben a galvanométer skála kalibrálva van.

A magnetoelektromos rendszer a készülék skálájának legnagyobb linearitásában ( áram vagy feszültség mértékegységében ) és a legnagyobb érzékenységben (a tű teljes eltérítési áramának minimális értéke) különbözik a többi kialakítástól.

Elektromágneses galvanométer

Az elektromágneses galvanométer történelmileg a galvanométer legelső kialakítása. Tartalmaz egy rögzített, árammal ellátott tekercset és egy mozgatható mágnest ( egyenáramú készülékekben) vagy lágy mágneses anyagú magot (egyenáramot és váltakozó áramot egyaránt mérő készülékekhez ), amely a tekercsbe van behúzva vagy ahhoz képest elforgatva.

Ezt a kialakítást a nagyobb egyszerűség jellemzi, nincs szükség arra, hogy a tekercset a lehető legkisebb méretre és tömegre szabják (ami a magnetoelektromos rendszerhez szükséges), valamint a mozgó tekercs áramellátásának problémája. Az ilyen eszközöket azonban megkülönbözteti a skála jelentős nemlinearitása ( a tekercs magjának és élének mágneses mezőjének egyenetlensége miatt ), valamint a kalibráció megfelelő bonyolultsága. Mindazonáltal az eszközök ilyen kialakításának viszonylag nagy értékű váltakozó áramú ampermérőként való használatát indokolja a tervezés nagyobb egyszerűsége és a további egyenirányító elemek és söntök hiánya . Az elektromágneses rendszer váltakozó és egyenáramú voltmérői a legkényelmesebbek a feszültségértékek szűk tartományának ellenőrzésére , mivel a műszer skálájának kezdeti szakasza erősen össze van nyomva, és a szabályozott szakasz megnyújtható.

Tangenciális galvanométer

A tangenciális galvanométer az egyik első galvanométer, amelyet elektromos áram mérésére használnak . Iránytűvel működik, amely az ismeretlen áram által generált mágneses mező és a Föld mágneses mezőjének összehasonlítására szolgál. Az eszköz a nevét a mágnesesség tangenciális törvényéről kapta, amely kimondja, hogy a mágnestű dőlésszögének érintője arányos két merőleges mágneses tér erőinek arányával. Claude Poulier írta le először 1837- ben .

A tangenciális galvanométer egy szigetelt rézhuzalból készült tekercsből áll, amely függőlegesen elhelyezett nem mágneses keretre van feltekercselve. A keret a középpontján átmenő függőleges tengely körül forgatható. Az iránytű vízszintesen és a tárcsa közepén helyezkedik el. A számlap négy negyedre van osztva, amelyek mindegyike 0° és 90° között van beosztva. A mágneses iránytűre egy hosszú alumínium mutató van rögzítve . A parallaxis okozta hibák elkerülése érdekében a nyíl alá egy lapos tükör van beépítve .

Működés közben a galvanométer úgy van beállítva, hogy az iránytű tűje egybeessen a tekercs síkjával. Ezután a mérendő áramot a tekercsre vezetik. Az áram mágneses teret hoz létre a tekercs tengelyén, merőlegesen a Föld mágneses terére. A nyíl két mező vektorösszegére reagál, és e mezők arányának érintőjével megegyező szöggel tér el.

Elmélet

A galvanométer úgy van beállítva, hogy a tekercs síkja párhuzamos legyen a Föld mágneses meridiánjával , vagyis a Föld mágneses mezejének vízszintes komponensével. Amikor az áram áthalad egy tekercsen, a tekercsben mágneses mező jön létre, amely merőleges a tekercsre. A mágneses tér nagysága:

ahol:

  •  - áram , A ;
  •  - a tekercs fordulatainak száma;
  •  a tekercs sugara.

Két egymásra merőleges mezőt adunk össze vektorosan, és az iránytű tűje a következő szöggel tér el :

Az érintő törvényből

vagyis

vagy

vagy

ahol  a tangenciális galvanométer redukciós tényezője.

A tangenciális galvanométer egyik problémája a nagyon nagy és nagyon kicsi áramok mérésének nehézsége.

A Föld mágneses terének mérése

Tangenciális galvanométer is használható a geomágneses tér vízszintes komponensének mérésére . Ehhez egy alacsony tápfeszültséget sorba kell kötni egy reosztáttal , galvanométerrel és ampermérővel . A galvanométer úgy van elhelyezve, hogy a mágneses tű párhuzamos legyen a tekercssel, áram hiányában . Ezután feszültséget adnak a tekercsre, amelyet egy reosztát olyan értékre állít be, hogy a nyíl 45 ° -os szögben eltérjen, és a mágneses mező nagysága a tekercs tengelyén egyenlő legyen a Föld geomágnesességének vízszintes összetevőjével. terület. Ez a mező az ampermérővel mért áramerősségből, a tekercs fordulatszámából és sugarából számítható ki.

Elektrodinamikus galvanométer

Az árammal rendelkező tekercseket mozgó és rögzített elemként használják. Különleges eset az alacsony frekvenciájú analóg wattmérő .

Rezgő galvanométer

A vibrációs galvanométerek a tükör galvanométerek egy fajtája. A mozgó alkatrészek sajátfrekvenciája egy szigorúan meghatározott frekvenciára van hangolva, általában 50 vagy 60  Hz . Magasabb, akár 1 kHz -es frekvenciák is lehetségesek  . Mivel a frekvencia a mozgó alkatrészek tömegétől függ, a nagyfrekvenciás galvanométerek nagyon kicsik. A rezgő galvanométer hangolása a rugó feszítőerejének változtatásával történik.

A vibrációs váltóáramú galvanométereket kis áram- vagy feszültségértékek meghatározására tervezték . Az ilyen eszközök mozgó részének a tehetetlenségi nyomatéka meglehetősen alacsony . Leggyakrabban null indikátorként használják váltakozó áramú hidakban és komparátorokban . A rezgő galvanométer rezgésének éles rezonanciája nagyon érzékenysé teszi a mért áram frekvenciájának változásaira, és műszerek finomhangolására használható.

Termikus galvanométer

A termikus galvanométer egy vezetőből áll, amelynek árama melegítéskor kitágul, és egy karrendszerből, amely ezt a kiterjesztést egy nyíl mozgásává alakítja.

Periodikus galvanométer

Aperiodikusnak nevezzük galvanométert, amelynek tűje minden eltérés után azonnal egyensúlyi helyzetbe kerül, előzetes kilengések nélkül, mint az egyszerű galvanométerben [11] .

Egyéb elemek és tervezési jellemzők

  • kiegyensúlyozó elemek. Ennek hiányában a galvanométer úgy van kialakítva, hogy vagy csak a skála vízszintes helyzetében, vagy csak függőleges helyzetben működjön.
  • Arretir  - az eszköz szerkezeti elemei, amelyek biztosítják a mechanizmus rögzítését szállítási, nem működő helyzetben.
  • A csillapító levegő (egy speciális profilon belül mozgó szirom formájában) vagy elektromágneses (rövidre zárt tekercs). A mérési idő minimalizálására szolgál. Nem lehet jelen ballisztikus galvanométerben.
  • A rugók általában olyan vezetők, amelyeken keresztül áramot táplálnak egy magnetoelektromos kerethez vagy egy elektrodinamikus eszköz mozgatható keretéhez. Egyes kiviteleknél a vezetők, amelyekre a keretet feszítik, a tengely és egyben a torziós rugók.
  • Az egyik rugó rögzítése forgatható, és arra szolgál, hogy áram hiányában a mutatót a skála nulla helyzetébe állítsa.
  • A többi mutatós mérőműszerhez hasonlóan a skálán a beosztáson kívül tükör is lehet a műszer leolvasási pontosságának növelése érdekében , amelyben a műszer mutatójának egy része tükröződik. A tükör megkönnyíti a megfigyelő szemének helyes pozícionálását, amelyben a pillantás iránya merőleges a skála síkjára.

Tükör galvanométer

Nagy mérési pontosság, valamint a nyíl legnagyobb reakciósebessége érhető el tükör galvanométerrel, amelyben egy kis tükröt használnak mutatóként. A nyíl szerepét a tükörről visszaverődő fénysugár játssza. A tükrös galvanométert 1826 -ban Johann Christian Poggendorf találta fel .

A tükrös galvanométereket széles körben használták a tudományban, mielőtt megbízhatóbb és stabilabb elektronikus erősítőket találtak volna fel . Leggyakrabban szeizmométerekben és tenger alatti kommunikációs kábelekben rögzítő eszközként használják őket . Jelenleg nagy sebességű tükör galvanométereket használnak a lézershow-kban a lézersugarak mozgatására és a közönség körüli füstben színes formák létrehozására. Az ilyen galvanométerek bizonyos típusait különféle dolgok lézeres jelölésére használják: a kéziszerszámoktól a félvezető kristályokig.


Alkalmazás

Mérőműszerek

A galvanométer az alapvető építőelem más mérőműszerek építéséhez . Galvanométer alapján tetszőleges mérési határértékkel ampermérőt és egyenáramú voltmérőt lehet építeni.

Ampermérő beszerzéséhez a galvanométerrel párhuzamosan egy sönt ellenállást kell csatlakoztatni.

Voltmérő beszerzéséhez egy oltóellenállást ( további ellenállás ) kell sorba kötni galvanométerrel.

Ha nincs további ellenállás a galvanométerhez csatlakoztatva , akkor ampermérőnek és voltmérőnek is tekinthető (attól függően, hogy a galvanométer hogyan szerepel az áramkörben , és hogyan értelmezik a leolvasásokat).

Expozíciómérő, hőmérő

Fényérzékelővel ( fotodióda ) vagy hőmérséklet - érzékelővel (hőelem) kombinálva a galvanométer használható fényképes expozíciómérőként , hőmérséklet-különbség-mérőként stb.

Ballisztikus galvanométer

A galvanométeren egy rövid impulzus formájában átáramló töltés mérésére ballisztikus galvanométert használnak , amelyben nem a keret elhajlása figyelhető meg, hanem annak maximális kilökődése az impulzus áthaladása után.

Null indikátor

A galvanométert az áramkörökben lévő áram ( feszültség ) hiányának jelzőjeként (nullajelzőként) is használják . Ehhez általában a skála közepén lévő nyíl nulla pozíciójával hajtják végre.

Elektromos jelek mechanikus rögzítése

A galvanométereket az oszcilloszkópok , például az analóg elektrokardiográfok leíróinak pozicionálására használják. 100  Hz -es frekvencia átvitellel és több centiméteres elhajlásukkal rendelkezhetnek . Egyes esetekben (encefalográffal) a galvanométerek olyan erősek, hogy a papírral közvetlenül érintkező írnokok megmozdulnak. Írómechanizmusuk alapulhat folyékony tintán vagy hőpapíron mozgó fűtött írásjegyeken. Más esetekben a galvanométereknek nem kell ilyen erősnek lenniük: a papírral való érintkezés időszakosan történik, így kevesebb erőfeszítést igényel az írnokok mozgatása.

Optikai szkennelés

A tükör galvanométer rendszereket a lézeroptikai rendszerek pozicionálására használják. Ezek általában nagy teljesítményű gépek, amelyek frekvenciája meghaladja az  1 kHz -et .

Jelenlegi állapot

Modern körülmények között az analóg-digitális átalakítók és digitális jelfeldolgozással és az értékek numerikus kijelzésével rendelkező eszközök helyettesítik a galvanométereket mérőműszerként, különösen az univerzális ( avométerek ) részeként és mechanikailag nehéz üzemi körülmények között.

Az adatok számítógépes rendszerekben történő fogadása, tárolása és feldolgozása a rugalmasság szempontjából jelentősen meghaladja az elektromos jelek rögzítővel papíron történő rögzítésének minden módszerét.

A tükrös galvanométerek a pásztázó rendszerekben is elveszítették fontosságukat, először a katódsugaras eszközök megjelenésével, és ahol szükséges, a külső fényáram szabályozásában a hatékony piezoelektromos eszközök és szabályozott tulajdonságokkal rendelkező közegek (például folyadékkristályok ) megjelenésével. A tükrös galvanométerek alapján azonban a lézertechnológiában lézersugár eltérítésére szolgáló eszközöket és lézershow - berendezéseket gyártanak  .

Lásd még

Jegyzetek

  1. 1 2 Mario Gliozzi A fizika története - M .: Mir, 1970 - S. 252.
  2. 1 2 Galvanométer // Brockhaus és Efron enciklopédikus szótára  : 86 kötetben (82 kötet és további 4 kötet). - Szentpétervár. , 1890-1907.
  3. Joseph F. Keithley. Az elektromos és mágneses mérés története: ie 500-tól az 1940-es évekig. – New York: IEEE Press, 1999. ISBN 0-7803-1193-0. — 113. o. Archiválva : 2021. szeptember 27. a Wayback Machine -nél .
  4. F. Keithley. Az elektromos és mágneses mérés története: ie 500-tól az 1940-es évekig. – New York: IEEE Press, 1999. ISBN 0-7803-1193-0. - 114. oldal . Letöltve: 2017. október 2. Az eredetiből archiválva : 2021. szeptember 27.
  5. J. Munro. A távíró hősei. - Project Gutenberg, 1999  (nem elérhető link)
  6. Különféle források 1880 és 1886 közötti dátumokat közölnek. Valószínű, hogy a D'Arsonval által 1881-ben szabadalmaztatott mozgó tekercses eszközt tovább fejlesztették.
  7. Joseph F. Keithley. Az elektromos és mágneses mérés története: ie 500-tól az 1940-es évekig. – New York: IEEE Press, 1999. ISBN 0-7803-1193-0. - 196. o . Letöltve: 2017. október 2. Az eredetiből archiválva : 2021. szeptember 27.
  8. Videó archiválva 2016. augusztus 27-én a Wayback Machine -nél a D'Arsonval-Dupré galvanométer rövid leírásával.
  9. A láthatatlanok mérése Weston Electrical Instrument Corporation 1938 Newark NJ - 22. o. Archiválva : 2021. október 1. a Wayback Machine -nél .
  10. Galvanométer // Természettudományi Szótár.
  11. Aperiodikus galvanométer // Brockhaus és Efron enciklopédikus szótára  : 86 kötetben (82 kötet és további 4 kötet). - Szentpétervár. , 1890-1907.

Irodalom

Linkek