Измерительные приборы. Технические приложения

Понятно, что все эти количественные исследования и изменения предъявляли всё более и более повышенные требования к измерительным приборам. Рассматриваемый период характеризуется интенсивным развитием электроизмерительной техники, вырабатываются основные формы конструкций электроизмерительных приборов, равно как и приёмы измерения различных электрических величин и вспомогательная аппаратура. В это время конструируются такие регуляторы тока, как реохорды (Поггендорф), агометры (Якоби) и, наконец, реостаты и магазины. Зажимы и клеммы, ртутные контакты, переключатели, все эти, казалось бы, очень простые, но необходимые приспособления создаются в этот период.

Измерители и индикаторы тока (амперметры, гальваноскопы, гальванометры) конструктивно оформляются. Фарадей ещё пользуется поггендорфским мультипликатором. В это время Вебер в Геттингене конструирует тангенс- и синус-буссоль, электродинамометр. Это были первые измерители тока. Тангенс-гальванометр представляет, как известно, круглую рамку, обмотанную или одним проводом (медный круг), или несколькими витками. В центре круга на оси помещена магнитная стрелка, положение которой отсчитывается по горизонтальному кругу с делениями. Площадь рамки устанавливается в плоскости магнитного меридиана. Если по обмотке пробегает ток, то в центре создаётся поле

где R - радиус круга. С другой стороны, по выходе стрелки из плоскости меридиана на неё будет действовать горизонтальная составляющая земного поля Н₀. Стрелка отклонится из плоскости меридиана на угол φ, для которого моменты сил, создаваемые полями Н и Н₀, уравновешиваются. В этом случае

У синус-буссоли обмотка вращается около вертикальной оси и по выходе стрелки из плоскости магнитного меридиана (с которой вначале совпадает плоскость обмотки) она вращается до тех пор, пока стрелка вновь не будет в её плоскости.

В этом случае

где φ - угол, на который повернулась плоскость обмотки.

Электродинамометр Вебера, которым он пользовался для проверки законов взаимодействия токов, состоит из двух катушек-неподвижной и подвижной, подвешенной на бифилярном подвесе, который служит и для подвода тока. Центры обоих катушек совпадают, но плоскости взаимно-перпендикулярны. Вращательный момент, испытываемый подвижной катушкой, пропорционален квадрату силы тока (при условии, что через обе катушки проходит один и тот же ток). Электродинамометр Вебера явился прототипом приборов электродинамической системы.

Серьёзную эволюцию претерпели измерители слабых токов - гальванометры. Гаусс и Вебер работали с большим мультипликатором эллиптического сечения, в центре которого был подвешен на длинной шёлковой нити большой стальной магнит длиною 30 см и весом 500 г. К нити было прикреплено для отсчёта зеркало (зеркальный отсчёт по методу зеркала и шкалы был предложен в 1826 г. Поггендорфом). Период колебаний магнита 14 секунд. Так как дождаться успокоения системы было почти невозможно, то Вебер прибегал к специальным методам измерения и впервые предложил успокоитель в виде медной массы, окружающей магнит (явление Араго).

Чрезвычайно чувствительный гальванометр для работы по испытанию трансатлантического кабеля сконструировал В. Томсон в 1851 г. Лёгкая подвижная астатическая система состоит из маленьких магнитиков, наклеенных на зеркальце и слюдяной кружок, скреплённых вместе тонкой проволочкой и подвешенных на тонкой коконовой нити между двумя парами катушек. Гальванометр помещён в стеклянном футляре, на крышке которого находится латунный стержень с передвигающимся вдоль него астазирующим магнитом (служит для ослабления действия на подвижную систему земного магнитного поля). Это астазирующее приспособление было предложено в 1841 г. Меллони; оно повышает чувствительность прибора.

В процессе работы по исследованию кабеля Томсон предложил в 1867 г. и другой тип гальванометра, из которого развились впоследствии гальванометры магнитоэлектрической системы. Между полюсами электромагнита подвешена лёгкая рамка, обмотанная тонкой токонесущей проволокой. Для концентрации магнитного потока внутри пространства, проволокой. Для концентрации магнитного потока внутри пространства, охватываемого рамкой, помещено подходящей формы тело из мягкого железа.

В. Томсону принадлежит и конструкция точных электрометров - квадрантного и абсолютного, описанных им в 1855 и в 1867 гг. В абсолютном электрометре реализована ломоносовская идея измерения электрической силы по силе притяжения пластин.

Рис. 236. Титульный лист сочинений Якоби

Конструкция приборов развивалась, как показывает пример В. Томсона, в тесной связи с техническими применениями электричества. Уже в 1850 г. Вернер Сименс организовал вместе с Гальске электротехническую фирму, известную своей электроизмерительной аппаратурой. При существовавших тогда источниках тока электротехника была электротехникой слабых токов. Чрезвычайно интересно, что пионером такой передовой отрасли, как электротехника, явилась Россия.

Мы уже упоминали о телеграфе Шиллинга. В 1833 г. Гаусс и Вебер построили по принципу Шиллинга телеграфную линию в Геттингене протяжением 4 000 футов между обсерваторией и физической лабораторией. "Это устройство,- писал Гаусс Ольберсу,- было испытано нами для телеграфирования, вполне удались опыты с передачей целых слов и даже простых фраз". Эти стрелочные аппараты стал вводить на английских железных дорогах в 1837 г. Уитстон. Однако настоящее распространение телеграфия получила только после того, как в том же году Морзе предложил свой аппарат с электромагнитом.

Его практически пригодный аппарат был изготовлен в 1840 г., а в 1844 г. была открыта первая телеграфная линия, оборудованная аппаратами Морзе, между Вашингтоном и Балтиморой. В 1866 г., при активном содействии В. Томсона, была осуществлена постоянная транс-атлантическая связь (работы по прокладке кабеля начались в 50-х годах).

Большое значение в развитии электротехники имели работы русского физика Б. С. Якоби (1801-1874). С 1837 г. Якоби принимает участие в работе комиссии, организованной в Петербурге по вопросу о применении электромагнетизма для приведения в движение машин. Здесь он совместно с Ленцем исследует законы намагничивания железа и электромагнитное притяжение. Он конструирует агометр для регулировки напряжения.

В 1838 г. Якоби изобретает гальванопластику - электролитический способ получения копий. В 1839 г. Якоби построил лодку, приводимую в движение электродвигателем, который развивал от батареи в 69 элементов Грове мощность 1 л. с. и двигал против течения лодку с 14 пассажирами. В 1842 - 1845 гг. Якоби консультирует проводку телеграфа с подземным кабелем между Петербургом и Царским Селом.

Много внимания Якоби уделял вопросам электрометрии и метрологии. В 1867 г. он в качестве русского делегата участвует в Между на родной комиссии мер и весов, где выступает активным поборником метрической системы.

Итак, первый опыт использования движущей силы электричества был осуществлён в России. Но путь для широкого использования электричества был закрыт из-за отсутствия мощных и дешёвых источников электроэнергии. Машины с постоянными магнитами (индукторы) уже применялись, но они не могли развивать больших электродвижущих сил из-за слабых магнитных потоков постоянных магнитов. Кроме того, эти машины были машинами переменного тока.

Рис. 237. Квадратный электрометр

В апреле 1866 г. Уайльд в Манчестере сконструировал первую динамомашину с электромагнитами, возбуждение которых производилось магнитоэлектрической машиной. В это же время был нащупан принцип самовозбуждения. Патент принадлежит Вернеру Сименсу, но независимо от него к той же идее (использование остаточного магнетизма) пришёл его брат - Вильгельм, Муррей, Варлей, Уитстон и в мае 1867 г. лондонский механик Лодд демонстрировал на Лондонской выставке динамомашину независимого возбуждения с двумя индукторами.

Принцип выпрямления тока (коллектор) был высказан итальянским профессором Пачинноти, но практически пригодная динамомашина была построена в 1868 г. бельгийским рабочим Граммом, пришедшим к своему изобретению независимо от Пачинноти. Так на рубеже 70-х годов зародилась электротехника сильных токов.