گالوانومتر چیست؟ آشنایی کامل با گالوانومتر

گالوانومتر وسیله ای برای تشخیص و اندازه گیری جریان است. جریان و شدت آن معمولاً با حرکت یک سوزن مغناطیسی یا یک سیم پیچ در یک میدان مغناطیسی نشان داده می شود که قسمت مهمی از گالوانومتر است.

از زمان کشف در دهه 1800، گالوانومتر های زیادی ساخته شده اند. برخی از انواع گالوانومتر شامل گالوانومتر تانژانت، گالوانومتر آستاتیک، گالوانومتر آینه و گالوانومتر بالستیک است. با این حال، امروزه نوع اصلی گالوانومتر که زیاد مورد استفاده قرار می گیرد، نوع D’Arsonval / Weston یا نوع سیم پیچ متحرک است. گالوانومتر اساساً یک نام تاریخی است که به یک آشکارساز جریان الکتریکی در سیم پیچ متحرک داده شده است.

سیم پیچ متحرک گالوانومتر چیست؟

گالوانومتر با سیم پیچ متحرک ابزاری است که برای اندازه گیری جریان های الکتریکی استفاده می شود. این یک دستگاه الکترومغناطیسی حساس است که می تواند جریان های کم را حتی به اندازه چند میکرو آمپر اندازه گیری کند.

گالوانومتر ها با سیم پیچ متحرک به دو نوع تقسیم می شوند:

• گالوانومتر با سیم پیچ معلق
• گالوانومتر با سیم پیچ محکم

اصول سیم پیچی متحرک گالوانومتر

به یک سیم پیچ حامل جریان هنگام قرار گرفتن در یک میدان مغناطیسی خارجی، گشتاور مغناطیسی وارد می شود. زاویه ای که سیم پیچ از طریق آن به دلیل اثر گشتاور مغناطیسی منحرف می شود، متناسب با مقدار جریان سیم پیچ است.

ساختمان و نمودار سیم پیچی گالوانومتر

گالوانومتر با سیم پیچ متحرک از یک سیم پیچ مستطیل شکل تشکیل شده که پیچ های زیادی دارد و معمولاً از سیم مسی عایق نازکی ساخته شده است که روی یک قاب فلزی پیچیده می شود. سیم پیچ آزاد است تا حول محور ثابت بچرخد. برای معلق کردن سیم پیچ در یک میدان مغناطیسی شعاعی یکنواخت، از یک نوار فسفر برنز که به یک سر پیچ متحرک متصل است استفاده می شود.

خواص اساسی ماده مورد استفاده برای معلق کردن سیم پیچ، رسانایی و مقدار کم ثابت پیچشی آن است. یک هسته آهنی استوانه ای به طور متقارن در داخل سیم پیچ قرار گرفته است تا قدرت میدان مغناطیسی را بهبود بخشد و میدان را شعاعی کند. قسمت پایین سیم پیچ با تعداد کمی پیچش به فنر فسفر برنز متصل می شود. انتهای دیگر فنر به پیچ های اتصال دهنده متصل می شود.

از فنر برای تولید یک گشتاور معکوس استفاده می شود که گشتاور مغناطیسی را متعادل می کند و از این رو به ایجاد انحراف زاویه ای ثابت کمک می کند. یک صفحه آینه ای که به سیم معلق متصل است، همراه با یک لامپ و ترتیب مقیاس برای اندازه گیری انحراف سیم پیچ استفاده می شود. نقطه صفر مقیاس در مرکز است.

نحوه کارکرد سیم پیچی متحرک گالوانومتر

وقتی جریان از سیم پیچ با تعداد دور n و سطح مقطع Aعبور می کند این سیم پیچ دریک میدان مغناطیسی شعاعی B قرار می گیرد، سیم پیچ گشتاور τ را تجربه می کند.

ابتدا یک مسیر ABCD از سیم پیچ مستطیلی با طول lو عرض b در نظر بگیرید که در یک میدان مغناطیسی با قدرت B به حالت معلق درآمده است به طوری که صفحه سیم پیچ موازی با میدان مغناطیسی است. از آنجا که اضلاع AB و DC با جهت میدان مغناطیسی موازی هستند، به دلیل میدان مغناطیسی هیچ نیروی موثری به آن ها وارد نمی شود. اضلاع AD و BC عمود بر جهت میدان یک نیروی موثر F را دارند که طبق رابطه F=BI محاسبه می شود.

با استفاده از قانون دست چپ فلمینگ می توانیم تعیین کنیم که نیرو های وارد شده به AD و BC در جهت مخالف یکدیگر هستند. وقتی نیرو های برابر و متضاد F به نام زوج روی سیم پیچ عمل می کنند، گشتاور تولید می کنند. این گشتاور باعث انحراف سیم پیچ می شود.

می دانیم که گشتاور τ = نیروx فاصله عمود بین نیرو ها است:

τ = F × b

مقدار F را که ازقبلاً می دانیم، جایگزین می کنیم؛

گشتاور τ که بر روی یک حلقه ABCD سیم پیچ کار می کند برابر می شود با : BI × b

از آنجایی که I×b سطح A از سیم پیچ است، از این رو گشتاوری که در n دور سیم پیچ کار می کند طبق زیر بدست می آید:

τ = nIAB

گشتاور مغناطیسی تولید شده باعث چرخش سیم پیچ می شود و نوار فسفر برنز پیچ می خورد. فنر S متصل به سیم پیچ یک گشتاور مخالف یا گشتاور بازیابی kθ را تولید می کند که منجر به یک انحراف زاویه ای ثابت می شود.

در شرایط تعادل:

kθ = nIAB

در اینجا k ثابت پیچشی فنر نامیده می شود. انحراف یا پیچش θ به عنوان مقدار نشان داده شده در یک مقیاس توسط یک عقربه دستگاه که به سیم معلق متصل است اندازه گیری می شود.

θ = (nAB / k) I

بنابراین θ با I متناسب است.

مقدار nAB / k برای یک گالوانومتر مشخص ثابت است. از این رو انحرافی که در گالوانومتر رخ می دهد مستقیماً با جریانی که در آن جریان دارد متناسب است.

سوال : هدف از معرفی یک هسته آهن نرم استوانه ای درون سیم پیچ متحرک گالوانومتر چیست؟

حل: هسته آهن نرم استوانه ای قرار داده شده در داخل گالوانومتر قدرت میدان مغناطیسی را افزایش می دهد، در نتیجه حساسیت دستگاه را بهبود می بخشد. همچنین میدان مغناطیسی را شعاعی می کند تا در هنگام چرخش سیم پیچ، زاویه بین صفحه سیم پیچ و خطوط مغناطیسی نیرو همیشه صفر بماند.

حساسیت سیم پیچ متحرک گالوانومتر

تعریف کلی از حساسیت تجربه شده توسط یک سیم پیچ متحرک گالوانومتر به عنوان نسبت تغییر انحراف گالوانومتر به تغییر جریان در سیم پیچ آورده شده است.

S = dθ / dI

اگر دستگاه انحراف بیشتری را نسبت به مقدار کمی جریان نشان دهد، حساسیت گالوانومتر بیشتر است. حساسیت دو نوع است: حساسیت جریان و حساسیت ولتاژ.

حساسیت جریان:

انحراف θ در واحد جریان I به عنوان حساسیت جریان θ / I شناخته می شود:

θ / I = nAB / k

حساسیت ولتاژ:

انحراف θ در واحد ولتاژ به عنوان حساسیت ولتاژ θ / ولت شناخته می شود. هر دو طرف معادله را بر V تقسیم می کنیم θ = (nAB / k) I ؛

(θ / V = (nAB / V k) I = (nAB / k) (I / V) = (nAB / k) (1 / R

R مخفف مقاومت موثر در مدار است.

همچنین حساسیت ولتاژ = حساسیت جریان / مقاومت سیم پیچ. بنابراین با این شرط که R ثابت بماند؛ حساسیت ولتاژ متناسب با حساسیت جریان است.

شکل یک گالوانومتر:

این نسبت جریان انحراف در مقیاس کامل و تعداد درجه بندی ها در مقیاس ابزار است. همچنین معکوس از حساسیت جریان یک گالوانومتر است.

حساسیت گالوانومتر

مفهوم حساسیت گالوانومتر بر موارد زیر مرتبط است:

• تعداد دورهای سیم پیچ
• مساحت سیم پیچ
• قدرت میدان مغناطیسی B
• مقدار زوج در واحد پیچش k / nAB

سوال: افزایش حساسیت جریان منجر به افزایش حساسیت ولتاژ یک گالوانومتر سیم پیچ متحرک می شود؟

حل: خیر. افزایش حساسیت جریان یک گالوانومتر سیم پیچ متحرک ممکن است لزوماً منجر به افزایش حساسیت ولتاژ نشود. با افزایش تعداد دور ها (طول سیم پیچ) برای افزایش حساسیت جریان دستگاه، مقاومت سیم پیچ تغییر می کند. به این معنی است که مقاومت سیم پیچ به عواملی مانند طول و مساحت سیم پیچ بستگی دارد.

همانطور که می دانیم حساسیت ولتاژ (θ / V = (nAB / k) (1 / R؛ حساسیت ولتاژمقدار کلی حساسیت ولتاژ بدون تغییر باقی می ماند.

کاربرد های گالوانومتر

گالوانومتر با سیم پیچ متحرک ابزاری کاملاً حساس است که به کمک آن می توان وجود جریان را در هر مدار تشخیص داد. اگر گالوانومتر در مدار پل ویستون( wheatstone’s bridge) متصل باشد، عقربه دستگاه در گالوانومتر انحراف صفر را نشان می دهد، یعنی هیچ جریانی از دستگاه عبور نمی کند. عقربه دستگاه باتوجه به جهت جریان به سمت چپ یا راست منحرف می شود.

از گالوانومتر می توان برای اندازه گیری های زیر استفاده کرد؛

الف) مقدار جریان در مدار بوسیله اتصال موازی گالوانومتر با مقاومت کم.

ب) ولتاژ در مدار بوسیله اتصال سری گالوانومتر با مقاومت زیاد.

تبدیل گالوانومتر به آمپرمتر

گالوانومتر با اتصال موازی با مقاومت کم که مقاومت شنت نامیده می شود به آمپرمتر تبدیل می شود. مقاومت مناسب در برابر شنت بسته به دامنه آمپرمتر انتخاب می شود.

در مدار داده شده :

• RG – مقاومت گالوانومتر
• G- سیم پیچ گالوانومتر
• I – کل جریان عبوری از مدار
• IG – کل جریان عبوری از گالوانومتر که مربوط به قرائت در مقیاس کامل است
• Rs – مقدار مقاومت در برابر شنت

هنگامی که جریان IG از گالوانومتر عبور می کند، جریان از طریق مقاومت شنت توسط IS = I – IG داده می شود. ولتاژ های گالوانومتر و مقاومت شنت به دلیل نوع اتصال آنها برابر است.

بنابراین RG .IG = (I- IG) .Rs

مقدار S را می توان با استفاده از معادله فوق بدست آورد.

تبدیل گالوانومتر به ولت متر

اگر گالوانومتر بصورت سری با مقاومت بالا متصل شود به ولت متر تبدیل می شود. بسته به دامنه ولت متر، مقاومت زیاد مناسب انتخاب می شود.

در مدار داده شده:

• RG = مقاومت گالوانومتر
• R = مقدار مقاومت بالا
• G = سیم پیچ گالوانومتر
• I = کل جریان عبوری از مدار
• IG = کل جریان عبوری از گالوانومتر که مربوط به انحراف در مقیاس کامل است.
• V = افت ولتاژ در اتصال سری گالوانومتر و مقاومت زیاد.

هنگامی که IG جریان از ترکیب سری گالوانومتر و مقاومت زیادR عبور می کند؛ افت ولتاژ در شاخه ab بصورت زیر می شود:

V = RG.IG + R.IG

مقدار R را می توان با استفاده از معادله فوق بدست آورد.

سوال: یک گالوانومتر سیم پیچ متحرک با مقاومت 100Ω به عنوان آمپرمتر با استفاده از مقاومت 0.1Ω استفاده می شود. حداکثر جریان انحراف در گالوانومتر 100μA است. جریان را در مدار پیدا کنید، تا آمپرمتر حداکثر انحراف را نشان دهد.

حل: داده شده است که

RG = 100Ω ، Rs = 0.1Ω ، IG = 100μA

ما می دانیم که RG .IG = (I- IG) .RS

بنابراین I = (RG .IG + IG.Rs) / RS

I = (1 + RG / RS). IG

با جایگزینی مقادیر داده شده، I = 100.1mA بدست می آوریم

سوال: سیم پیچ گالوانومتر با مقاومت 40Ω، انحراف با دامنه کامل را برای جریان 4 میلی آمپر نشان می دهد. چگونه می توان این گالوانومتر را به ولتمتر محدوده 0-12 ولت تبدیل کرد؟

راه حل:

همانطور که می دانیم(V = IG (RG + R

R = V / IG – RG

= (12 / (4 × 10-3)) – 40

R = 2960 Ω

مزایا و معایب گالوانومتر

مزایا:

• حساسیت بالا
• به راحتی تحت تأثیر میدان های مغناطیسی قرار نمی گیرد.
• نسبت گشتاور به وزن زیاد است.
• دقت و اطمینان بالایی دارد.

معایب:

• فقط برای اندازه گیری جریان های مستقیم قابل استفاده است.
• خطاهایی را به دلیل عواملی مانند فرسودگی دستگاه، آهنربا های دائمی و آسیب فنر به دلیل فشار مکانیکی، ایجاد می کند.