5. Гальваноскопы и гальванометры. В некоторых случаях бывает нужно обнаружить лишь присутствие тока в цепи и его направление, тогда как измерение силы его не требуется. Приборы, служащие для этой цели, называются гальваноскопами. На рис. 1 изображен гальваноскоп простейшей конструкции. Если приходится при помощи гальваноскопа обнаруживать, а при помощи гальванометра измерять очень слабые токи, то действие их усиливают, пропуская ток вокруг магнитной стрелки не один раз, а чрез более или менее значительное число круговых витков проволоки, установленных в плоскости магнитного меридиана. Для этой цели проволоку обматывают вокруг рамки, внутри которой помещается магнитная стрелка. Такие приборы носят название мультипликаторов. Если требуется сообщить магнитной стрелке особенную подвижность, то вместо того, чтобы насаживать при помощи агатовой чашечки на стальное острие, ее подвешивают на шелковой некрученой (коконовой) нити (рис. 2).
Для гальванометров берется магнитная стрелка настолько малою по отношению к радиусу витков проволоки, чтобы без большой погрешности можно было принять, что на каждый из концов магнитной стрелки действует ток с такою же силою, как и в середине ее.
Так как измерение угла отклонения может быть произведено тем точнее, чем больше шкала с делениями, то для этой цели снабжают прибор весьма легкой указательной стрелкой. Устройство гальваноскопов основано на свойстве электрического тока отклонять магнитную стрелку в ту или другую сторону, смотря по тому, в каком направлении проходит ток в проводниках прибора. Сторону отклонения магнитной стрелки можно определить по правилу Ампера (1): если держать над проводником тока правую руку ладонью к магнитной стрелке так, чтобы проводник находился между рукой и стрелкой, и чтобы ток вытекал из кончиков пальцев, то северный полюс магнитной стрелки отклонится в сторону отставленного большого пальца. Так как в гальваноскопе отклонение магнитной стрелки известно, то правило Ампера в следующей редакции дает возможность определять направление тока: если держать над проводником правую руку ладонью к магнитной стрелке так, чтобы отставленный большой палец был направлен в сторону отклонения северного полюса стрелки, то остальные четыре пальца укажут направление электрического тока.
При помощи гальваноскопа можно знать приблизительно, какой силы ток идет по цепи, так как, чем больше сила тока, протекающего по цепи, тем больше и отклонение магнитной стрелки. Так, включая гальваноскоп, например, в телеграфную цепь, можно знать направление тока, проходит ли он по проводнику и нормальной ли он силы. Устройство одного из простых технических гальваноскопов показано на рис. 3. На оси О прибора насажен магнит, состоящий из двух колен a1 и a2, расположенных под углом; на этой же оси насажен указатель б. Самая ось оконечностями упирается в углубления винтов, укрепленных в боках латунной пластинки b. Коленчатый магнит окружает катушка, составленная из витков тонкой медной изолированной проволоки и концами сообщающаяся с зажимами r1 и r2. В спокойном состоянии указатель, вследствие веса магнита, стоит вертикально; при пропускании по обмотке прибора тока магнит, в зависимости от направления тока, отклоняется в ту или другую сторону, благодаря чему указательная стрелка движется вдоль дуги с делениями. Гальваноскоп закрывается металлическим футляром, в котором против дуги с делениями вставлено стекло. Конструктивная форма гальваноскопов может, конечно, меняться. Рисунки 4 и 5 показывают нам внешний вид приборов, по выполнению значительно отличающихся от вышеописанного. Первый из них весьма портативен, второй, в деревянном футляре, имеет большую шкалу и удобен для установки на постоянном месте, например, при телеграфном аппарате Морзе.
Из гальванометров, в которых зависимость между силою тока и углом отклонения довольно проста, принадлежит тангенс-буссоль, изображенная на рисунке 6. Она состоит из медного согнутого кругообразно проводника, в центре которого помещена своею серединою магнитная стрелка на тонком острие, легко вращающаяся в горизонтальной плоскости и, вследствие силы притяжения земного магнитизма, обыкновенно устанавливающаяся в плоскости магнитного меридиана, т.-е. показывающая с юга на север. Если пропустить ток по медному обручу проводника, то магнитная стрелка, преодолевая силу притяжения земного магнитизма, отклонится от первоначального положения и тем более, чем сильнее ток. Под магнитною стрелкою помещается шкала с делениями на градусы, по которой можно измерить угол отклонения магнитной стрелки и на основании этой меры угла отклонения можно будет вычислить силу тока, протекающего по медному обручу проводника. Если плоскость медного обруча проводника совпадает с плоскостью магнитного меридиана, то под действием тока, протекающего по медному обручу проводника, магнитная стрелка, помещающаяся в центре медного обруча проводника, отклонится на некоторый угол φ, тангенс которого пропорционален силе тока.
Представим себе магнитную стрелку (рис. 7), помещенную в плоскости магнитного меридиана вблизи проводника АВ. При прохождении по последнему тока, на магнитную стрелку будут действовать две пары сил: отклоняющая пара Р с плечом р и восстанавливающая пара Q с плечом q. Отклоняющая пара сил создается проводником, при чем сила Р пропорциональна силе тока:
Создаваемая земным магнитизмом восстанавливающая пара будет действовать на плечо q с силою Q, пропорциональною напряжению магнитного поля Н [горизонтальная оставляющая земного магнитизма]:
При устойчивом положении стрелки моменты пар равны, то-есть
Из последнего выражения находим, что сила тока
Выражение 
можно считать величиною
постоянною, если напряжение магнитного поля не меняется и если стрелка имеет небольшие размеры. Отношение
q/p, как видно из прямоугольного треугольника n m s, есть
tg φ. Таким образом,
Постоянная величина С называется переводным множителем гальванометра и определяется из уравнения
в котором R — радиус обмотки, Н — горизонтальная составляющая сила земного магнитизма и n — число витков проволоки.
Гальванометры типа, только что описанного, не приспособлены для точного измерения весьма слабых сил тока. Поэтому, если приходится измерять такие силы тока, которые, как например, в случае сил токов, получаемых при измерении изоляции, не превосходят одной миллионной доли ампера применяют приборы с значительно большей чувствительностью.
Первым способом увеличения чувствительности прибора является увеличение числа витков проволоки, которое в различных гальванометрах, смотря по целям, для которых они построены, весьма различно, и доходит до 30.000 и больше. Разнообразны также расположение витков и также форма рамки, на которой они намотаны. Для усиления действия витков, возможно большее число их должно быть помещено как можно ближе к магнитной стрелке. Из удовлетворения этого условия вытекают, сообразно различной форме магнитных стрелок, и разнообразные виды обмоток.
Отклоняющей силе тока противодействует направляющая сила земного магнитизма. Поэтому действие тока и, следовательно, чувствительность прибора может быть увеличена ослаблением или уничтожением направляющего действия земного магнитизма на магнитную стрелку. Для этой цели берут не простую магнитную стрелку, а систему астатических магнитных стрелок (Нобили).
Последняя состоит из двух параллельных, одинаково сильно намагниченных стрелок, скрепленных между собою при помощи очень легкого стерженька из слоновой кости и обращенных в одну и ту же сторону разноименными полюсами (рис. 8). Нижняя магнитная стрелка расположена внутри обмотки (рамки), а верхняя магнитная стрелка расположена вне обмотки и обыкновенно служит также и указателем.
Действие тока на такую систему магнитных стрелок больше, потому что ток стремится вращать внутреннюю и наружную магнитные стрелки в одну и ту же сторону, как легко проверить по правилу Ампера.
Таким образом от действия тока обе магнитные стрелки отклоняются в одну и ту же сторону, между тем как действие земного магнитизма на систему магнитных стрелок уничтожено совершенно, или в случае, если стрелки намагничены не вполне одинаково, делается равным разности действия земного магнитного поля на ту и другую стрелку. Еще лучше будет работа гальванометра, если половина витков его катушки будет обмотана в противоположном направлении вокруг верхней магнитной стрелки (способ Томсона), как это показано на рис. 9.
Мы до сего времени изображали магниты в виде стерженьков. Следует, однако, иметь в виду, что форма магнитов применяется различная. Простая массивная магнитная стрелка обладает большой инерцией, почему вместо нее применяют магниты в виде трубки или кольца (способ Видемана) и, наконец, в виде колоколообразного магнита (Сименс и Гальске), имеющего большую значительную магнитную массу относительно постоянной силы при незначительной инерции.
Для быстрого приведения перемешающихся магнитов в состояние покоя в новом положении равновесия необходимо снабдить их успокоителями (демпферами). Чисто механический успокоитель чаще всего состоит в том, что к подвижной системе прикрепляется крыльчатая ветрянка; значительно реже применяется погружение подвижной части в жидкость. При электрическом успокоении подвижной магнит по возможности полностью погружается в медную массу с незначительным отдалением от последней. При движении магнита в медной массе индуктируются токи Фуко, которые действуют успокаивающим образом. Прибор называют апериодическим, если успокоитель действует настолько совершенным образом, что его подвижная часть принимает всякое новое положение покоя сразу, без всякого колебания.
На рис. 10 показана схема гальванометра, которым можно производить весьма точные измерения. Подвижная система, подвешенная на нити, не имеет стрелочного указателя а снабжена небольшим зеркальцем, сзади которого помещена система магнитиков 7 и на которое передается изображение большой шкалы, нанесенной на специальную рейку и находящейся от прибора в значительном отдалении (от 1 до 2 метров и более). При помощи зеркального способа отсчитывания по отражению шкалы в зеркале можно измерить с большой точностью даже углы отклонения величиною всего в несколько секунд определяя посредством специальной зрительной трубы (рис. 11) угол, образуемый лучом, отражаемым зеркалом. Этот угол будет равняться двойному углу поворота зеркала, а, следовательно, и поворота подвижной части прибора. Длина наблюдаемого луча может быть равна нескольким метрам. Зрительная трубка устанавливаемая вместе с рейкой против зеркала, имеет крест из нитей в фокусе из окуляра, а на рейке нанесена горизонтальная шкала с делениями на миллиметры. Независимость показаний описываемого гальванометра от влияния поля земного магнитизма достигается тем, что прибор снабжают направляющим магнитом (6), который можно передвигать и который действует на двойную систему подвижных магнитов (7 и 8), подобную астатической паре магнитов, представленную на рис. 9.
Гальванометр с колоколообразным магнитом можно видеть на рис. 12. Здесь также может быть применена пара подвижных магнитов и направляющий магнит.
Точные гальванометры описанных типов, а равно и других конструкций, применяются при лабораторных измерениях. Примерный внешний вид таких приборов показан на рис. 13 и 14. Следует иметь в виду, что все такие гальванометры, как имеющие весьма слабые постоянные магниты, нельзя предохранить от магнитных возмущений. Находящиеся поблизости железные массы влияют на показания приборов и изменяют у них положение нулевой точки. В этом отношении нечувствительными являются приборы (Вестоновского типа), у которых подвижная стрелка заменена легкой подвижной катушкой, вращающейся, при прохождении по ней тока, в магнитном поле, создаваемом сильным, неподвижным постоянным магнитом. Ниже описывается такой тип гальванометра, постоянно применяемый в повседневной практике. На рис. 15 мы видим подковообразный (показанный лишь в свои концевых частях) магнит N и S с двумя полюсными надставками 1 и 2, между которыми помещена свободно движущаяся катушка К, через витки которой пропускается ток.
Внутри подвижной катушки для усиления магнитного поля помещается полый цилиндрический железный сердечник С. Обмотка катушки сделана из сплава с незначительным температурным коэффициентом и намотана на рамку из меди или алюминия. Концы обмотки катушки наверху и внизу прикреплены к спиральным пружинам Р, служащим также и проводниками для измеряемого тока. Эти спиральные пружины делаются из сплава, отличающегося тем свойством, что сделанные из него пружины не ослабляются даже в состоянии красного каления,
К подвижной катушке наверху и внизу прикреплены стальные острия, отточенные так, что угол при вершине равен 60. Такой угол делает арретирование (задерживание) стрелки прибора излишним; трения же совершенно не замечается. Эти приборы обладают тем преимуществом, что на показания их совершенно не влияют внешние магнитные действия. Они могут быть употребляемы вблизи сильных динамомашин, нисколько не изменяя своей постоянной. Далее, эти приборы отличаются тем, что магниты в них неизменны и обращение с ними очень удобно, а отсчет можно произвести с большою точностью. Алюминиевый указатель, прикрепленный к подвижной катушке (на рис. не показан), оканчивается спереди тонким острием, имеющим вид вертикальной тонкой пластинки; указатель перемещается по градуированному кругу с зеркальною поверхностью, позволяющему сделать крайне точный отсчет (до 0,05 деления шкалы). Шкалы этих приборов всегда будут почти пропорциональны, т.-е. деления шкалы по всей длине ее будут равны по величине и по значению и следовательно равным изменениям силы тока будут соответствовать равные изменения отсчетов, в противоположность, например, шкале тангенсов.
Эти Вестоновские приборы обладают всеми преимуществами других точных гальванометров, не обладая их недостатками, так как в них не требуется горизонтальной установки, установки в плоскости магнитного меридиана, освобождения задерживательного приспособления; также их показания не зависят от внешних магнитных влияний.
1) См. A. Holzt "Электрический ток, его законы и действия", глава V Издание Московского Акционерного
Издательского Общества.
