2. Назначение и принцип действия гальванометра магнитоэлектрической системы

Гальванометры служат для обнаружения и измерения слабых токов и напряжений. Баллистический гальванометр предназначен для измерения количества электричества.

Рассмотрим принцип действия гальванометра с подвижной катушкой (рис. 3).

В магнитном поле постоянного магнита NS укреплен цилиндр из мягкого железа. В зазоре между полюсами магнита и цилиндром может свободно вращаться рамка 1, составленная из плотно уложенных витков изолированной тонкой проволоки и подвешенная на упругой нити 2. Для отсчета углов поворота рамки служит зеркальце 3, на которое падает световой луч от осветительного устройства. Исследуемый ток подводится с помощью токопроводящих нитей 2 и 4. В состоянии покоя рамка расположена параллельно магнитным силовым линиям. При протекании тока по ее обмоткам возникает сила, действующая со стороны магнитного поля на рамку с током. В результате этого рамка будет стремиться повернуться вокруг своей оси перпендикулярно силовым линиям постоянного магнита. Этому перемещению рамки будут противодействовать силы кручения упругой нити 2. В итоге рамка поворачивается на некоторый угол .

3. Основы теории гальванометра

Характер движения рамки гальванометра можно установить на основе второго закона механики для вращательного движения:

, (8)

где J – момент инерции подвижной части гальванометра;  – угол поворота рамки; – угловое ускорение; М_i – сумма моментов действующих сил.

На рамку действуют:

а) Вращающий момент М₁ , обусловленный взаимодействием тока с магнитным полем. Величина этого момента может быть определена следующим образом. По закону Ампера* в магнитном поле, вектор магнитной индукции которого равен B, на элемент длины dl проводника с током i действует сила:

dF = i[dl B].

Н аправление dF определяют по правилу векторного произведения, если dl приписать направление тока. Вычислим вращающий момент, действующий на рамку с током в магнитном поле (рис. 4). Для этого нужно просуммировать силы dF, действующие на элементы AD, CD, CP, PA контура рамки. Силы, действующие на участки AD, CP, по закону Ампера лежат в плоскости рамки и уравновешивают друг друга (рамку считаем твердым телом).

Рис. 4

А мпер Андре Мари (1775–1836) – французский физик, математик и химик. Основные физические работы посвящены электродинамике.

Силы F₁ и F₂ , действующие на участки PA и CD, также направлены в противоположные стороны, но они образуют пару сил и приводят, к вращению рамки вокруг оси. Эти силы направлены перпендикулярно магнитным силовым линиям и стремятся повернуть рамку параллельно полюсам магнита N – S. Абсолютная величина сил равна:

F₁ = F₂ = il₁B, где l₁ = PA = CD, sin (l, B) = 1.

Плечо сил равно:

l₂cos , где l₂ = PC = AD.

Вращающий момент равен:

M₁ = F₁PO = i l₁ l₂B cos .

При малых углах отклонения cos  = 1.

Величина l₁ l₂ = S есть площадь рамки. Если рамка состоит из n витков, то очевидно, вращающий момент увеличиться в n раз. Тогда

M₁ = nBiS.

б) Тормозящий момент M₂ пропорциональный скорости вращения рамки, обусловлен электромагнитным и воздушным сопротивлениями:

M₂ = – k₂d/dt. (10)

Этот момент в основном обусловлен индукционными токами в рамке. Если не учитывать воздушное сопротивление, то величину коэффициента k₂ можно определить следующим образом. Поток магнитной индукции, пронизывающий один виток рамки при отклонении ее на угол  (рис. 4), равен:

Ф₁ = l₂sin  l₁B = SB sin .