Первые электроизмерительные приборы

Первые электроизмерительные приборы

Опубликовано в номере:
PDF версия
Первые приборы для измерения электрических зарядов, сопротивления и тока — гальванометры — были созданы еще в конце XVIII в. Позже они также стали использоваться как приемники телеграфных линий.

Александр Микеров, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Александр Микеров,
д. т. н., проф. каф.
систем автоматического управления
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Шарль Кулон (Charles-Augustin de Coulomb (1736–1806)

Рис. 1. Шарль Кулон (1736–1806)

Дмитрий Иванович Менделеев писал: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять: точная наука немыслима без меры». И действительно, развитие науки и техники всегда сопровождается созданием новых приборов, без которых невозможно ни подтвердить, ни опровергнуть выявленные законы и гипотезы. А иногда наоборот, изобретение измерительного устройства может привести к открытию важнейшего физического закона.

Именно так произошло с законом взаимодействия электрических зарядов, положившим начало электростатике. Его открыл знаменитый французский военный инженер Шарль Кулон (Charles-Augustin de Coulomb, рис. 1) [1–3].

До него величину заряда оценивали приблизительно, на глазок. Например, Ломоносов определял ее по цвету искр при разряде: слабо голубой, явно голубой, красноватый, вишневый и т. д. Аналогичные способы базировались на силе ощущения при электрическом разряде через палец. Впоследствии в одном из первых телеграфных приемников оператор закорачивал пальцем два приемных контакта, воспринимая длинные и короткие сигналы в линии «физиологического телеграфа». Лучшую оценку давали электроскопы, но это были скорее индикаторы, чем измерительные приборы [1, 2].

Кулон занимался измерениями суточной девиации магнитного поля Земли, для чего использовал магнитную стрелку на торсионном подвесе. Пытаясь снизить погрешности, он изучил свойства таких подвесов и установил строгую пропорциональность между силой и углом закручивания металлической нити. И в результате изобрел чувствительнейший измеритель весьма малых механических сил, называемый теперь весами Кулона. Он использовал эти весы в 1784 г. при установлении своего знаменитого закона для силы взаимодействия fC между зарядами q1 и q2:

Весы Кулона

Рис. 2. Весы Кулона

fC = (kC×q1×q2) / R2,

где R — расстояние между зарядами, а kC — постоянная Кулона. Прибор для измерения сил отталкивания одно­именных зарядов (рис. 2) содержал стеклянный цилиндр диаметром 32 см со шкалой (1), серебряную струну (2), коромысло с заряженным шариком (3) и противовесом (4), а также непо­движный заряженный шарик (5). Сила отталкивания заряженных шариков определялась по углу закручивания струны. Для измерения сил притяжения разноименных зарядов использовалась другая конструкция [2].

Чувствительность весов Кулона была доведена до фантастической величины в 3?10–6 мг/град шкалы — до сих пор недостижимой другими методами измерения. Кулон был избран в Парижскую Академию наук, а его имя увековечено в названии единицы заряда в системе SI — 1 кулон.

Гальванометр Ампера

Рис. 3. Гальванометр Ампера

Спустя более 30 лет, в 1820 г., весы Кулона были применены в первом измерителе силы тока членом Парижской Академии наук Андре–Мари Ампером (Andr?-Marie Amp?re), который назвал свой прибор «гальванометром», поскольку электрические токи тогда носили название гальванических [1, 2, 4]. При его создании Ампер использовал эффект влияния электрического тока на магнитную стрелку, продемонстрированный незадолго до этого профессором физики из копенгагенского университета Гансом Эрстедом (Hans ?rsted), — хотя до него этот эффект наблюдал итальянский ученый Джованни Романьози (Gian Romagnosi) еще в 1802 г. Первый гальванометр (рис. 3) имел магнитную стрелку (1), размещенную над проводником с током (2) на упругом подвесе (3). Угол отклонения стрелки определялся величиной проходящего тока i.

C помощью такого прибора Ампер установил знаменитый закон, носящий его имя, который определяет механическую силу fA, приложенную к проводнику с током длиной l, находящемуся в магнитном поле с индукцией B:

fA = B×l×i.

Мультипликатор Швейггера

Рис. 4. Мультипликатор Швейггера

Научный вклад Ампера всемирно признан. Единица тока, названная ампер, входит в число четырех основных единиц международной системы SI: наравне с метром, килограммом и секундой. В честь Ампера в его родном городе Лионе открыт музей и воздвигнут памятник.

Однако недостатки первого гальванометра были очевидны: низкая чувствительность, влияние магнитного поля Земли (отчего проводник с током необходимо было ориентировать по магнитному меридиану), а также воздушные возмущения [2, 4]. Чувствительность прибора была многократно повышена в том же 1820 г. в «мультипликаторе» профессора университета Галле (Германия) Иоганна Швейггера (Johann Schweigger), поместившего магнитную стрелку (1) внутрь катушки (2) с измеряемым током (рис. 4). А чтобы исключить влияние магнитного поля Земли, Ампер предложил сделать гальванометр астатическим и использовать две стрелки.

Гальванометр Нобили

Рис. 5. Гальванометр Нобили

Эти и другие усовершенствования воплотились в астатическом гальванометре, созданном в 1825 г. профессором физики из Флоренции Леопольдо Нобили (Leopoldo Nobili) (рис. 5). В стеклянной колбе на упругой нити (1) были подвешены, в соответствии с идеей Ампера, две параллельные магнитные стрелки: одна (2) над шкалой, а другая (3) внутри измерительной катушки Швейггера (4).

Обе стрелки были намагничены в противоположных направлениях, поэтому магнитное поле катушки действовало на них в одну сторону, а магнитное поле Земли — в разные, что исключало его влияние на показания. Это был наиболее чувствительный по тем временам прибор, позволивший измерять слабые термо­электрические и физиологические токи человека и животных и заменивший лапки лягушки Гальвани. Гальванометр Нобили широко использовался вплоть до конца XIX в. Это был уникальный лабораторный прибор, в котором большое значение придавалось даже внешней отделке [2, 4].

Гальванометр был также применен для измерения другой важной электрической величины — сопротивления [1–3, 5]. Назвать ее так предложил немецкий школьный учитель Георг Ом (Georg Ohm). Он провел тщательные исследования электрической цепи с батареей, нагруженной резистором R, которые привели к открытию в 1826 г. его знаменитого закона:

i = u / R,

где u — напряжение на зажимах батареи, i — ток, текущий в цепи.

Прибор Ома

Рис. 6. Прибор Ома

Однако первоначальные опыты с гальваническим элементом, нагруженным длинным проводом, привели О