Принцип работы тангенс гальванометра кратко

Обновлено: 04.07.2024

Рассмотрим круговой проводник из n витков, прилегающих достаточно плотно друг к другу, расположенных вертикально в плоскости магнитного меридиана. В центре проводника поместим магнитную стрелку, вращающуюся вокруг вертикальной оси. Если по катушке пропустить ток I, то возникает магнитное поле с напряжённостью H, направленное перпендикулярно к плоскости катушки. Т.о., на стрелку будут действовать два взаимно перпендикулярных поля: магнитное поле Земли и магнитное поле тока. Напряжённости обеих полей взаимно перпендикулярны. На рис. 4. изображено сечение катушки горизонтальной плоскостью. Здесь – вектор напряжённости поля, созданного круговым током, – горизонтальная составляющая магнитного поля Земли. Стрелка установится по направлению равнодействующей , т.е. по диагонали параллелограмма, сторонами которого будут вектор напряжённости магнитного поля кругового тока и .Рассматривая рис.4 получим:

;

с другой стороны. Напряжённость магнитного поля в центре катушки тангенс–гальванометра равна:

;

где r – радиус витка. Тогда:

; где .

Для данного места Земли и для данного прибора величина

( I )

является постоянной тангенс – гальванометра, тогда:_

( 2 ).

Формулу ( 1 ) можно переписать в виде

( 3 ).

Таким образом, круговой проводник с магнитной стрелкой может быть использован для измерения силы тока, текущего по цепи. Прибор, основанный на вышеописанном принципе, носит название тангенс–гальванометра.

Тангенс–гальванометр, используемый в данной работе, состоит из катушки, в центре которой на вертикальной оси располагается магнитная стрелка. Стрелка может свободно вращаться внутри круглой коробки с прозрачной крышкой (компас). По контору дна коробки намечена круговая шкала, проградуированная в угловых градусах.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

I. I. Собрать электрическую цепь лабораторной установки по схеме. Источником напряжения служит выпрямитель ВС–24 М.С.Спомощью переключателя Кизменяют направление тока, текущего через тангенс–гальванометр tgq.

II. II. Установить tgq так, чтобы плоскость витков катушки совпадала с плоскостью магнитного меридиана, т.е. чтобы магнитная стрелка расположилась в плоскости витков катушки, указывая при этом на Си Ю.

III. III. Регулятор напряжения R на панели выпрямителя вывести в крайнее левое положение. Включить выпрямитель и поставить переключатель К в левое или правое положение. Регулятором напряжения R установить ток в цепи I=0,5A. зафиксировать угол отклонения магнитной стрелки. Перекинуть ключ К в противоположное положение и также зафиксировать угол отклонения стрелки. Это необходимо для плоскости нахождения среднеарифметического значения угла отклонения магнитной стрелки, т.к. всегда имеется неточность в установлении витков tgq в плоскости магнитного меридиана.

IV. IV. Выполнить пункт 3 при значениях тока I=1A и 1,5A.

V. V. Результаты измерений занести в таблицу:

При каждом значении тока определить горизонтальную составляющую магнитного поля Земли по формуле:

( 4 );

т.к. в системе СИ коэффициент пропорциональности К в формуле ( 2 ) равен .

VI. VI. Найти среднеарифметическое значение .

VII. VII. Вычислить погрешность вычисления при каждом значении тока:

( 5 ),

и затем среднее значение .

VIII. VIII. записать окончательно результат работы в виде:

( 6 ).

Контрольные вопросы.

1. 1. Основные характеристики магнитного поля.

2. 2. Закон Био-Савара-Лапласа.

3. 3. Магнитное поле кругового тока.

4. 4. Магнитное поле Земли: причини существования, магнитное наклонение, горизонтальная составляющая поля, вертикальная составляющая поля.

Литература.

Ø Ø Калашников С.Г. "Электричество".

Ø Ø Савельев И.В. "Курс общей физики", т.2.

Ø Ø Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа,1989. Гл.22.

Ø Ø Евграфова Н.Н., Каган В.Л. Руководство к лабораторным работам по физике. М.: Высшая школа, 1970. с.177.

Ø Ø Кортнев А.В., Рублёв Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике. М.: Высшая школа, 1965. с.331.

Роль языка в формировании личности: Это происходит потому, что любой современный язык – это сложное .

Средневековье: основные этапы и закономерности развития: Эпоху Античности в Европе сменяет Средневековье. С чем связано.

На рынке измерительных приборов производители представляют достаточно широкие модельные ряды устройств, предназначенных для замеров сопротивления, напряжения и силы тока, то есть омметров, вольтметров и амперметров. Однако в некоторых ситуациях незаменимыми становятся гальванометры, описание принципов работы которых и характеристики разновидностей можно найти на многих специализированных ресурсах. Подобное оборудование актуально в ситуациях, когда требуется измерить малые токи или выявить отсутствие напряжения в сетях, имеющих различные параметры.

Что это такое?

По сути, любой гальванометр представляет собой прибор, разработанный для измерения параметров электрических сетей. С учётом характеристик данных устройств следует отметить, что речь идёт о минимальных значениях количества электричества, силы тока и сопротивления. К примеру, для определения наличия и минимальных показателей I на конкретных участках цепи используют гальванометры с повышенной чувствительностью.

Впервые особенности отклонения магнитной стрелки под воздействием электрического тока в проводнике описал Ганс Эрстед ещё в 1820 году. В то время подобное явление рассматривалось в качестве способа измерения тока. Говоря об изобретателе гальванометра, необходимо отметить, что первым упомянул подобный прибор Иоганн Швейгер. Это произошло 16 сентября 1820 года и связано с университетом Галле. Сам же термин появился только в 1836-м и произошёл от фамилии учёного Луиджи Гальвани.

Изначально действие устройства основывалось на силе магнитного поля Земли. Подобные образцы измерительного оборудования назвали тангенциальными гальванометрами. Перед использованием их требовалось сориентировать в пространстве. Позже на свет появился первый астатический прибор, создатели которого использовали противоположно направленные магниты. Подобный подход позволил исключить фактор воздействия упомянутого магнитного поля планеты.

Современные устройства на схемах отмечаются в соответствии с действующим ГОСТом на схеме. Гальванометр имеет обозначение в виде стрелки, направленной вверх и расположенной внутри круга.

Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, эти приборы имеют ряд важных особенностей.

Один из главных параметров – это постоянная, значение которой определяет расстояние между зеркалом и шкалой и высчитывается с учётом стандартного отрезка длиной 1 метр. В ситуациях с переносными устройствами эта величина является ценой одного деления шкалы. Для стационарных моделей она составляет 10–11 А/м/мм, а для мобильных – 10-8 или же 10-9 А/дел. В обоих случаях допустима 10-процентная погрешность в обе стороны.
Невозвращение стрелки к нулевой отметке в процессе её перемещения от крайней точки шкалы, то есть так называемое постоянство нуля. Этот показатель в числовом выражении наносится на шкалу в виде ромбообразного символа.
Наличие такого конструктивного элемента, как магнитный шунт. Его положение меняется поворотом специальной ручки, что, в свою очередь, приводит к изменению постоянной гальванометра и показателя магнитной индукции в зазоре. С учётом данного момента техническая документация, включая паспорт измерительного прибора, содержит значения постоянной при двух положениях магнитного шунта, то есть во введённом и выведенном состоянии.
Присутствие корректора, с помощью которого осуществляется перемещение стрелки между двумя крайними положениями.
Наличие арретира, который представляет собой неотъемлемую часть всех современных приборов, имеющих подвесы. Этот элемент позволяет надёжно зафиксировать подвижную часть и тем самым минимизировать риск повреждения прибора в процессе его транспортировки.
Возможность установки электростатического экранирования для обеспечения максимально эффективной защиты устройства от I утечек.

Определённые особенности конструкции гальванометров связаны именно с наличием упомянутой подвижной части. В частности, регулировка успокоения, пропорционального её колебаниям, осуществляется путём подборки внешнего сопротивления (R).

В паспорте каждого прибора в обязательном порядке прописывается максимально значение этого параметра, являющееся критическим.

На практике в подавляющем большинстве случаев наружное сопротивление устанавливают с максимальным приближением к критическому показателю. Это, в свою очередь, исключает риск возникновения колебаний стрелки (указателя) в пределах положения равновесия.

Функции

У многих возникает вполне логичный вопрос, касающийся того, для чего нужен гальванометр в физике и повседневной жизни. Как уже было отмечено, этот прибор измеряет параметры электрической сети. При этом его функционирование базируется на преобразовании тока в механическое движение, в результате которого на шкале отображаются искомые показатели.

Как правило, рассматриваемое оборудование выполняет функции аналоговых приборов, измеряющих силу тока в сети.

Специалистами, представляющими разные отрасли, гальванометры используются для того, чтобы получить данные, подтверждающие нахождение искомых параметров в определённых пределах. Это позволяет эффективно контролировать состояние электрических цепей и своевременно выявлять неисправности.

Важно помнить, что чаще всего отклонение параметров от установленных норм свидетельствует о сбоях в работе систем.

С учётом того, какая именно часть устройства является подвижной, гальванометры делятся на две основные категории. Это, в свою очередь, определяет их функциональность. Так, к первой разновидности относятся приборы с подвижными магнитами, а ко второй – оборудование с подвижными токопроводами. Оба типа одинаково эффективны при измерении в конкретный момент времени медленно меняющегося тока, а также тока быстро меняющего соответственного напряжения. Помимо этого, в перечень функций входит учёт общего действия тока в течение заданного временного промежутка, осуществляемый, как правило, флюметрами и баллистическими гальванометрами.

Устройство и принцип работы

Отвечая на вопрос, как устроен подобный прибор, следует отметить, что конструкция самого простого гальванометра, появившегося на свет ещё в самом начале XIX столетия, включала в себя магнитный указатель (стрелку), которая подвешена на тонкой нити и помещена внутри неподвижной катушки. Как только в этой проволочной конструкции появляется электрический ток, стрелка отклоняется от своего исходного положения. При отсутствии тока в системе указатель будет оставаться неподвижным, то есть стрелка показывает на нулевую отметку.

Многие модели современных гальванометров представляют собой магнитоэлектрические устройства, в которых используется действие электрического тока. Их стандартная конструкция предусматривает наличие следующих элементов.

Постоянный магнит.
Поворачивающаяся катушка, расположенная между полюсами.
Облегчённый указатель (стрелка), который соединён с катушкой и образует с ней одну ось вращения. Если в последней отсутствует ток, то указатель фиксируется на нулевой отметке при помощи возвратной пружины.

В поле постоянного магнита помещается катушка (обмотка), на которой закреплена стрелка-указатель. В своём исходном положении эта конструкция удерживается упомянутой выше пружиной.

При прохождении через катушку электрического тока в ней сразу же появляется магнитное поле. Параллельно при этом возникает взаимодействие между ним и полем постоянного магнита. При этом обмотка вместе с указателем начинает отклоняться от нуля, что является сигнализатором наличия тока в системе. Как только электрический ток исчезает, магнитное поле катушки тоже пропадает. В этот момент под действием пружины стрелка возвращается в исходное положение. И речь в данном случае идёт о визуальной демонстрации отсутствия тока в цепи. Другими словами, выполняется одна из функций гальванометра, то есть проверка наличия напряжения.

Разбираясь с особенностями устройства, необходимо отметить, что на сегодняшний день широко используются разные модификации описываемых устройств.

Так, мобильные устройства оснащены подвижной рамкой, которая фиксируется на растяжках, а также интегрированной шкалой и стрелочным или световым указателем. Стационарные модели гальванометров устанавливают по уровню, а на рамке при этом закрепляется небольшое по размерам зеркало. Такие устройства комплектуются выносной шкалой со световым указателем, характеризующейся максимальной чувствительностью. При помощи отражающегося от зеркала и параллельно перемещающегося по шкале луча света осуществляется контроль углового движения рамки. Такие приборы рамочного типа на практике используют в качестве нуль-индикаторов, то есть приборов, фиксирующих отсутствие в сети электрического тока или напряжения. Они позволяют в условиях лабораторий осуществлять фиксацию параметров при минимальных показателях I и U.

Практически все гальванометры оснащены магнитными шунтами, положение которых регулируется наружной ручкой для того, чтобы изменялся показатель индукции в рабочем зазоре. Подобным образом можно изменять значения искомых параметров не менее, чем в три раза с учётом требований актуальных стандартов. За перемещение указателя в обе стороны от нулевой отметки отвечает специальный корректор.

Ещё одним важным моментом является необходимость эффективной защиты гальванометров от помех.

Наиболее актуально это для высокочувствительных приборов. Так, для стационарных моделей измерительной техники часто сооружают специальную основу (фундамент), надёжно предотвращающую механические воздействия. Утечки тока, как уже было отмечено, предотвращают за счёт экранирования. Помимо всего прочего, необходимо отметить, что каждый тип современных измерительных приборов имеет свои особенности конструкции и принципа действия.

Отличия от амперметра

Независимо от специфики конструкции и спектра выполняемых операций, любой гальванометр – это электроизмерительное устройство, характеризующееся повышенной чувствительностью и используемое для определения силы тока незначительной величины. При этом многих интересует, в чём именно заключается разница между этими образцами измерительной техники и классическими амперметрами. Прежде всего следует отметить, что последние представляют собой оборудование для нахождения величины силы тока, измеряемой в амперах.

Шкала подобных устройств с учётом диапазона осуществляемых ими измерений может быть градуирована в микроамперах, миллиамперах, амперах и килоамперах.

В отличие от микроамперметра, который тоже способен определять показатели сравнительно небольших токов, шкала гальванометра градуируется несколькими электрическими величинами. В их перечень входят в том числе и единицы напряжения.

Ещё один важный момент заключается в том, что описываемые измерительные приборы могут иметь условную градуировку. Чаще всего такую шкалу можно встретить в ситуациях, при которых гальванометр выполняет функции нуль-индикатора.

Невзирая на то, что все описываемые измерительные приборы имеют одинаковый принцип действия, существует целый перечень их разновидностей. При этом каждый вид устройств отличается от других конструкцией и функционалом. Богатый выбор позволяет приобрести оборудование, в полной мере соответствующее всем требованиям и предпочтениям потенциального покупателя. В то же время некоторым достаточно тяжело разобраться в разнообразии доступных моделей и таких обозначениях, как, к примеру, М-001.

Так, гальванометры М195 и М195/1 предназначены для нулевых измерений. Стоит отметить, что все представленные на рынке образцы оборудования отличаются друг от друга прежде всего конструктивно. Магнитоэлектрические приборы имеют электропроводящую рамку, закрепляемую в процессе эксплуатации на специальной оси, размещённой в магнитном поле. Отклонение указателя от нулевого положения определяется величиной подаваемого тока, индукцией и жёсткостью возвратной пружины.

Главной характеристикой этого типа устройств является их повышенная чувствительность.

Особенность тангенциальных гальванометров – это наличие компаса, необходимого для сравнения магнитных полей электрического тока и Земли. Название устройства получили из-за того, что их функционирование основано на тангенциальном законе магнетизма. Катушка в данном случае выполнена из меди и имеет изоляцию. Сама рамка располагается вертикально и в процессе эксплуатации прибора проворачивается вокруг своей оси. Компас при этом находится в горизонтальной плоскости и в самом центре круглой шкалы. Перед началом работы тангенциальный гальванометр располагают таким образом, чтобы стрелка компаса совпадала с плоскостью обмотки. После этого через неё пропускают ток, создающий магнитное поле на оси катушки.

Стоит отметить, что искусственное поле – это перпендикуляр к магнитному полю планеты.

В результате указатель устройства реагирует на оба активных поля и отклоняется на определённый угол от нулевой отметки, который является тангенсом отношения искусственного и естественного полей.

Помимо уже описанных, существуют также следующие разновидности гальванометров.

Помимо всего перечисленного, стоит уделить внимание также струнным гальванометрам. Речь в данном случае идёт об одной из первых конструкций, которая изначально применялась в медицине. Создателем прибора в 1895 году стал голландский физиолог Виллем Эйнтховен. Измерительное устройство состояло из кварцевой нити, которая за счёт своей минимальной толщины была способна совершать колебания под действием воздуха. Она удерживалась в магнитном поле под напряжением.

Все перечисленные разновидности гальванометров характеризуются простотой конструкции и эксплуатации. Однако за счёт активного внедрения передовых технологий и инновационных технических решений в наши дни практически повсеместно используются электронные измерительные приборы. Их основными преимуществами являются надёжность и, конечно же, максимальная точность.

Как правильно использовать?

Гальванометры можно с уверенностью назвать целым классом измерительного оборудования, характеризующегося максимальным уровнем точности и используемого для исследований величины электрического тока, проходящего через проводники, а также других его параметров. За счёт широкого ассортимента моделей и их функциональных возможностей эти измерительные приборы успешно эксплуатируются на производстве, в быту и в лабораторных условиях. При этом простейшее устройство можно изготовить своими руками.

Гальванометр работает как в качестве самостоятельного оборудования, отображающего параметры малых токов или выполняющего функции нуль-индикаторов, так и в виде основного блока других приборов. Так, существует вариант использования описываемой техники в качестве амперметра и вольтметра. Для этого потребуется:

подключить шунтирующее сопротивление параллельно с устройством для определения силы тока в амперах;
установить в цепи добавочное сопротивление последовательно для измерения напряжения.

Помимо указанных вариантов, гальванометры способны эффективно выполнять функции других приборов.

Термометра в тандеме с датчиком температуры и экспонометра при подключении фотодиода.
Измерителя заряда. Речь в данном случае идёт об эксплуатации именно баллистических гальванометров, предоставляющих возможность определить параметры одиночных импульсов, при прохождении которых происходит резкое движение (отброс) рамки.
Индикатора нуля, эффективно определяющий отсутствие электрического тока в цепи при фиксации указателя на нулевой отметке, градуированной соответствующим образом шкалы.
Устройства для записи сигналов осциллографа. Конструктивные особенности позволяют подключить гальванометр непосредственно к так называемому писчику. В итоге при фиксации любого импульса прибор моментально реагирует и параллельно активирует пишущее устройство, которое, в свою очередь, отображает все данные на бумаге.
Средства для выполнения оптической развёртки. Имеется в виду использование зеркальных моделей в системах лазерной оптики.

На данный момент аналоговые конструкции активно сдают свои позиции, уступая место современным, цифровым устройствам. В соответствии с актуальными статистическими данными, наиболее распространёнными сейчас являются зеркальные гальванометры. Они до сих пор достаточно широко эксплуатируются в качестве элементов различных лазерных установок. Это обусловлено их способностью отклонять лучи лазера.

Независимо от типа измерительного оборудования, его конструкции и функциональных возможностей, к его эксплуатации следует подходить грамотно. Параллельно требуется помнить о технике безопасности, поскольку речь идёт о работе с электрическим током. Не менее важными моментами будут правила хранения и обслуживания приборов, закреплённые в соответствующих инструкциях.

В следующем видео вы подробно узнаете о том, что такое вертикальный гальванометр и какие его принципе работы.

Простейшим устройством для измерения напряжённости магнитного поля Земли служит тангенс - гальванометр, состоящий из нескольких витков кругового проводника 1, в центре которого расположена магнитная стрелка 2 и угломерная шкала 3 (рис.2). Стрелка может поворачиваться вокруг вертикальной оси. При отсутствии тока в витках тангенс - гальванометра стрелка располагается в плоскости магнитного меридиана. Пропустим постоянный ток I по виткам тангенс - гальванометра.

Магнитное поле тока в центре витков будет характеризоваться вектором напряжённости

HВ = (I/2r)N, (2)

который направлен перпендикулярно плоскости витков. В(1) r - радиус витков, N - число витков. В этом случае магнитная стрелка NS расположится по направлению результирующих сил, действующих на неё со стороны магнитного поля рамки и магнитного поля Земли. Как видно из рис. 3, угол j, который стрелка составит с плоскостью витков, определяется соотношением

tgj=HB/Ho (3)

Подставляя в (2) вместо НВ его значение из (1), получим

Нo =IN/2rtgj = UN/Rdtgj, (4)

где ток I=U/R; U- напряжение на витках, R -сопротивление витков,

r - радиус витков, d - диаметр витков (d=2r), N- число витков.

Измеряем силу тока I или напряжение на витках U, радиус витков r угол отклонения стрелки j от плоскости витков и зная число витков N, можно определить горизонтальную составляющую напряжённости магнитного поля Земли.

Исходя из соотношений (1) можно определить вертикальную Нz и полную H напряжённость магнитного поля Земли, принимая для нашей местности угол наклонения J равным 69°.

2. Метод флюксметра

Флюксметр состоит из небольшой плоской проволочной катушки (рамки), соединённой с баллистическим гальванометром. Магнитная индукция В вместе расположения рамки равна

B=mmоН, (5)

а поток магнитной индукции Ф = BSNcosa через N витков измеритель- ной рамки (m - относительная магнитная проницаемость, в воздухе m=1). Угол a находится между вектором индукции В и нормалью n к плоскости рамки, S - площадь данного витка. При повороте рамки в магнитном поле в ней возникает э.д.с. индукции

и потечёт ток I, мгновенное значение которого равно

где Rr - омическое сопротивление гальванометра; Rp - сопротивление измерительной рамки. Величина тока I будет изменяться, и вследствие этого в электрической цепи на индуктивности L возникнет э.д.с. самоиндукции es. Запишем 2-й закон Кирхгофа для замкнутого контура:

-dФ/dt - Ldi/dt = (Rp + Rr )I. (8)

Проинтегрируем выражение (8) по времени от момента, когда нормаль n совпадает с направлением горизонтальной составляющей век- тора индукции Во магнитного поля Земли ( t=0 ), до момента, когда нормаль перпендикулярна к Во (t=tm):

-òdФdt/dt - òLdIdt/dt = (Rp+Rr) òIdt (9)

За время tm сила тока в цепи изменится от нуля через некоторое максимальное значение Im до нуля. Проекции горизонтальной состав-ляющей индукции магнитного поля на нормаль n за это время изменит- ся от Во до нуля, а поток через рамку от Фо до нуля. С учётом ска- занного, формулу (9) можно записать в следующем виде:

-òdФ - òLdI = (Rp+Rr ) òIdt (10)

Учитывая, что òIdt = q есть количество электричества, прошедшее через гальванометр за время tm , и делая незначительные преобразования, получим

Количество электричества q можно определить, измерив отклонение no “зайчика” по шкале гальванометра и зная баллистическую постоян-ную гальванометра b = q/n (см. лабораторную работу № 3.5 [5]). Тогда горизонтальная составляющая индукции магнитного поля Земли будет

Гальванометр — это устройство для измерения электрических параметров, которое работает на основе преобразование электрического тока в механическое движение и отражает величину измеряемого параметра на шкале.

Гальванометр

Техники используют гальванометры для того, чтобы убедиться, что электрические параметры находятся в заданных пределах для контроля и поиска неисправностей, потому что отклонение параметров от оптимальных может служить сигналом к нарушению работы системы.

Принцип действия гальванометра

Гальванометр состоит из постоянного магнита, катушки из провода, которая смонтирована между полюсами магнита; очень легкого указателя, который присоединен к катушке и имеет одну ось вращения с ней; пружины, которая удерживает указатель на нуле, когда в катушке не течет ток.

Схема гальванометра

Когда ток течет через катушку, он создает магнитное поле вокруг нее. Взаимодействие магнитного поля катушки и магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, создает силу, которая заставляет катушку поворачиваться или вращаться. Если магнитное поле катушки достаточно сильно, катушка преодолевает сопротивление пружины и старается расположиться между полюсами постоянного магнита. Когда катушка перемещается, указатель также перемещается. Количество движения катушки и указателя пропорционально количеству тока, протекающего через катушку.

Позади указателя на гальванометре имеется шкала, откалиброванная в единицах измерения электричества. Таким образом, положение указателя на шкале показывает величину измеряемого электрического параметра.

Операционный усилитель усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, вплоть до миллионов

Читайте также: