Первые электроизмерительные приборы
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:
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.
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.
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.
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.
Однако первоначальные опыты с гальваническим элементом, нагруженным длинным проводом, привели Ома к ошибочному заключению о логарифмической зависимости тока в цепи от длины провода [2, 5]. Сейчас мы можем объяснить эту неудачу нестабильностью гальванических элементов, а также влиянием неизвестных в то время факторов: внутреннего сопротивления элемента и зависимости сопротивления провода от его нагрева током. Тогда же немецкий физик Иоганн Поггендорф (Johann Poggendorff), опубликовавший первые результаты Ома в своем журнале, посоветовал ему заменить гальванический элемент термоэлектрическим, открытым в 1821 г. немецким физиком Томасом Зеебеком (Thomas Seebeck) из Ревеля (теперь Таллинн). Последний экспериментально установил, что биметаллические спаи генерируют ЭДС, названную им термоЭДС, которая зависит только от разности температур спаев и их материалов [1]. Кроме того, внутреннее сопротивление термоэлемента было ничтожным, а величина ЭДС — на два порядка ниже ЭДС гальванического элемента, что исключало нагрев проводника. В результате Ом создал сложнейший по тем временам измерительный прибор (рис. 6) [3].
Он содержал: П-образную пластину (1) из висмута, к двум коленам (2 и 3) которой были припаяны медные проводники (4 и 5), опущенные в чашечки (6 и 7) с ртутью. К этим чашечкам подключался не показанный на рисунке испытуемый провод. Над проводником 4 размещался гальванометр Ампера (8), показания которого считывались через окуляр (9). Одно из колен со спаем охлаждалось тающим льдом (опыты проходили в январе), а другое опускалось в кипящую воду. Таким образом, контактная разность температур строго поддерживалась на уровне +100 °С. С немецкой педантичностью Ом провел многочисленные измерения и установил, что величина тока в проводе обратно пропорциональна его сопротивлению, определяемому материалом, длиной и сечением. В честь первооткрывателя закона единица сопротивления в системе SI была позднее названа 1 Ом, а приборы для его измерения — омметрами. Однако при жизни Ома его закон не был признан из-за кажущейся простоты формулировки и сравнительной трудности проверки. Ом занял кафедру физики университета Мюнхена, о которой всю жизнь мечтал, лишь за два года до смерти [2]. Всю жизнь он нуждался и не мог даже завести семью.
Метод Ома был весьма трудоемким, что побудило исследователей искать другие способы измерений [5]. Еще в 1825 г. французский ученый Антуан Сезар Беккерель (Antoine C?sar Becquerel), внук которого впоследствии стал нобелевским лауреатом за открытие радиоактивности, предложил так называемый «нуль-метод» (рис. 7). В нем измеряемое сопротивление Rx сравнивалось с неким эталонным Rs [4].
Напряжения на сопротивлениях подавались на дифференциальный гальванометр с двумя катушками (1 и 2), намотанными в противоположных направлениях. Таким образом, нулевое положение стрелки означало точное равенство сравниваемых сопротивлений. Преимуществом метода, помимо простоты, было также устранение влияния нестабильности гальванического элемента.
Другим измерителем сопротивления стал мост Уитстона, названный в честь английского физика и изобретателя Чарльза Уитстона (Charles Wheatstone). В данном случае использовался обычный гальванометр G, включенный в диагональ моста (рис. 8). При равенстве добавочных сопротивлений Ra и Rb условием нулевого тока гальванометра является равенство измеряемого (Rx) и эталонного (Rs) сопротивлений.
Однако фактическим изобретателем этой схемы был преподаватель военной академии в Вулвиче (Англия) Сэмюэл Кристи (Samuel Christie), который опубликовал описание этого метода в 1833 г. [5]. К сожалению, работа Кристи была написана настолько невразумительно, что прибор стал известен лишь в 1843 г., уже после публикации Уитстона, который хоть и указал на приоритет Кристи, но остался в литературе как создатель этого моста — до сих пор весьма популярного.
Первое практическое применение гальванометр нашел еще в 1830-х гг. — в качестве телеграфного приемника аппаратов Уитстона и Павла Львовича Шиллинга, а также телеграфа Карла Гаусса (Carl Gauss) и Вильгельма Вебера (Wilhelm Weber) [2, 6]. По мере того как росла протяженность телеграфных линий, чувствительности известных гальванометров уже не хватало. Особенно для первого трансатлантического кабеля между Ирландией и Ньюфаундлендом (Канада) длиной около 4500 км, идея которого возникла в США и Англии в середине XIX в. после создания Вернером Сименсом технологии изоляции кабеля гуттаперчей [7]. К решению проблемы был привлечен знаменитый английский ученый Уильям Томсон (William Thomson), в течение 53 лет занимавший кафедру физики университета Глазго, известный работами по термодинамике и электродинамике и называемый также отцом точных электрических измерений (рис. 9) [2, 4, 8].
Приняв RC-модель длинной линии, Томсон теоретически показал, что ее быстродействие определяется электрической постоянной времени (пропорциональной квадрату длины линии) и электромеханической постоянной времени гальванометра (пропорциональной моменту инерции подвижной части). Это помогло ему сконструировать зеркальный гальванометр (1) (рис. 10): подвижная часть массой всего 65 мг представляла собой магнит на шелковой нити с приклеенным зеркальцем, луч от которого перемещался по удаленной шкале (2). Зеркальце подсвечивалось лампой (3). Для обеспечения демпфирования подвижная часть помещалась в герметичный стеклянный цилиндр регулируемого объема воздуха. Гальванометр мог измерять ничтожные токи до 2?10–11 А.
Несмотря на это, передача первой телеграммы в 98 слов, которую послала английская королева в США в 1858 г., заняла более 16 часов. Из-за обрывов кабеля линия была окончательно проложена лишь с пятой попытки — в 1866 г., с помощью крупнейшего по тем временам парохода Great Eastern. Королева посвятила Уильяма Томсона в рыцари, а позднее пожаловала ему титул лорда Кельвина. Для ускорения передачи телеграмм Томсон изобрел пишущий гальванометр, а затем и струйный принтер, в котором струя заряженных чернил отклонялась электростатическим полем. Для измерения сопротивления кабеля он использовал специальный мост, называемый теперь мостом Кельвина [5]. Помимо этого, Томсон создал много других прецизионных приборов, включая электрометры чувствительностью до 10 мВ, морской компас, звуковой глубиномер и др. Все они были запатентованы и приносили Томсону существенный доход. Также он внес огромный вклад в создание международной системы единиц измерения SI, в которой единица термодинамической температуры названа в его честь — кельвин (°K).
Первые электроизмерительные приборы строились на двух простейших устройствах: весах Кулона и магнитной стрелке в поле тока.
-
С помощью весов Кулона их автор открыл в 1784 г. закон взаимодействия электрических зарядов (закон Кулона).
-
Самым совершенным токовым прибором начала XIX в. был гальванометр Нобили (1825 г.), основанный на эффекте Эрстеда. Впервые его использовал Ампер для измерения величины тока в проводнике.
-
Измерению электрического сопротивления положил начало прибор Ома (1826 г.), созданный на базе источника термоЭДС. Однако в дальнейшем более популярным стал мост Уитстона (1843 г.).
-
В середине XIX в. со строительством трансатлантических телеграфных линий началось практическое применение гальванометра как приемника сигналов. До высочайшего уровня чувствительности его довел Томсон, создавший также много других прецизионных приборов.
- Микеров А. Г., Вейнмейстер А. В. История науки и техники в области управления и технических систем. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2016.
- Keithley J. F. The Story of Electrical and Magnetic Measurements: From 500 BC to the 1940s. New York: Wiley-IEEE Press. 1998.
- Липсон Г. Великие эксперименты в физике. М: Мир. 1972.
- www.ru.wikipedia.org/wiki/Гальванометр.
- Hall H. P. A History of Impedance Measurements.
- Микеров А. Г. Зарождение электроавтоматики // Control Engineering Россия. 2017. №5 (71).
- Микеров А. Г. Вернер Сименс — основатель европейской электроиндустрии (К 200-летию со дня рождения) // Control Engineering Россия. 2016. №6 (66).
- MacDonald D. K. C. Faraday, Maxwell and Kelvin. New York: Anchor Books. 1964.