Lustrzany galwanometr - Mirror galvanometer

Galwanometr zwierciadlany Thomsona typu statyw z około 1900 roku
Galwanometr firmy HW Sullivan, Londyn. Koniec XIX lub początku XX wieku. Ten galwanometr był używany w transatlantyckiej stacji kablowej w Halifax, NS, Kanada
Nowoczesny galwanometr lustrzany firmy Scanlab

Lusterka galwanometru jest amperomierz , który wskazuje, że wykrył elektrycznego prądu poprzez odchylanie wiązki światła z lustra . Wiązka światła rzucana na skalę działa jak długa, bezmasowa wskazówka. W 1826 roku Johann Christian Poggendorff opracował lustrzany galwanometr do wykrywania prądu elektrycznego. Urządzenie jest również znane jako galwanometr punktowy po plamce światła wytwarzanej w niektórych modelach.

Lustrzane galwanometry były szeroko stosowane w instrumentach naukowych, zanim pojawiły się niezawodne, stabilne wzmacniacze elektroniczne . Najczęstszym zastosowaniem były urządzenia rejestrujące sejsmometry i kable podmorskie używane do telegrafii.

W dzisiejszych czasach termin galwanometr zwierciadlany jest również używany w odniesieniu do urządzeń, które przenoszą wiązki laserowe , obracając zwierciadło przez zestaw galwanometru, często z pętlą kontrolną podobną do serwomechanizmu . Nazwa jest często skracana jako galvo .

Galwanometr Kelvina

Lustrzany galwanometr został znacznie ulepszony przez Williama Thomsona , późniejszego Lorda Kelvina. Ukuł termin zwierciadlany galwanometr i opatentował urządzenie w 1858 r. Thomson zamierzał odczytać słabe prądy sygnałowe na bardzo długich podmorskich kablach telegraficznych . Instrument ten był znacznie czulszy niż jakikolwiek poprzednik, umożliwiając wykrycie najmniejszej wady rdzenia kabla podczas jego wytwarzania i zanurzania.

Thomson zdecydował, że potrzebuje niezwykle czułego instrumentu po tym, jak wziął udział w nieudanej próbie ułożenia transatlantyckiego kabla telegraficznego w 1857 roku. Pracował nad urządzeniem, czekając na nową wyprawę w następnym roku. Po raz pierwszy przyjrzał się ulepszeniu galwanometru używanego przez Hermanna von Helmholtza do pomiaru prędkości sygnałów nerwowych w 1849 r. Galwanometr Helmholtza miał lustro przymocowane do poruszającej się igły, które służyło do rzutowania wiązki światła na przeciwległą ścianę, co znacznie wzmacniało sygnał. Thomson zamierzał uczynić to bardziej wrażliwym, zmniejszając masę ruchomych części, ale w mgnieniu oka, obserwując światło odbite od monokla zawieszonego na jego szyi, zdał sobie sprawę, że może całkowicie zrezygnować z igły i jej mocowania. Zamiast tego użył małego kawałka lustrzanego szkła z małym kawałkiem namagnesowanej stali przyklejonej z tyłu. Został on zawieszony na nitce w polu magnetycznym nieruchomej cewki czujnikowej. W pośpiechu, aby wypróbować ten pomysł, Thomson najpierw użył włosów swojego psa, ale później użył jedwabnej nici z sukienki swojej siostrzenicy Agnes.

Poniższy tekst zaczerpnięto ze współczesnego opisu instrumentu Thomsona:

Galwanometr lustrzany składa się z długiej cienkiej cewki z drutu miedzianego pokrytego jedwabiem. W sercu tego zwoju, w niewielkiej komorze powietrznej, na pojedynczym włóknie nici jedwabnej zawieszone jest małe okrągłe lusterko z czterema malutkimi magnesami przyklejonymi do jego grzbietu. Wiązka światła jest rzucana z lampy na lustro i odbijana przez nią na białym ekranie lub łusce oddalonej o kilka stóp, gdzie tworzy jasną plamkę światła. Gdy przyrząd nie płynie prądem, plamka światła pozostaje nieruchoma w zerowej pozycji na ekranie; ale w chwili, gdy prąd przechodzi przez długi drut cewki, zawieszone magnesy wykręcają się poziomo ze swojego poprzedniego położenia, lustro jest nachylone wraz z nimi, a wiązka światła jest odchylana wzdłuż ekranu w jedną lub drugą stronę, zgodnie z do natury prądu. Jeśli dodatni prąd elektryczny spowoduje odchylenie w prawo od zera, prąd ujemny spowoduje odchylenie w lewo od zera i odwrotnie.

Powietrze w małej komorze otaczającej lustro jest dowolnie ściskane, aby działać jak poduszka i tłumić ruchy lustra. W ten sposób zapobiega się bezczynnemu kołysaniu się igły przy każdym odchyleniu, a oddzielne sygnały są generowane gwałtownie. W stacji odbiorczej prąd przychodzący z kabla musi po prostu przepłynąć przez cewkę, zanim zostanie wysłany do ziemi, a wędrująca plamka światła na ekranie wiernie przedstawia wszystkie jego odmiany sprzedawcy, który patrząc na, interpretuje te i wykrzykuje wiadomość słowo po słowie. Niewielka waga zwierciadła i magnesów, które tworzą ruchomą część tego instrumentu, oraz zakres, w jakim drobne ruchy lustra mogą być powiększone na ekranie przez odbitą wiązkę światła, która działa jak długa niewyczuwalna dłoń lub wskazówka sprawiają, że lustrzany galwanometr jest cudownie wrażliwy na prąd, zwłaszcza w porównaniu z innymi formami instrumentów odbiorczych. Wiadomości można przesyłać z Wielkiej Brytanii do Stanów Zjednoczonych jednym kablem atlantyckim iz powrotem przez inny, a następnie odbierać je na lustrzanym galwanometrze, którego prąd elektryczny pochodzi z zabawkowej baterii wykonanej ze srebrnego naparstka kobiety, ziarna cynku i kropla zakwaszonej wody.

Praktyczną zaletą tej wyjątkowej delikatności jest to, że fale sygnałowe prądu mogą podążać za sobą tak blisko siebie, że prawie całkowicie się łączą, pozostawiając tylko bardzo nieznaczne wzniesienie i opadnięcie ich grzbietów, jak zmarszczki na powierzchni płynącego strumienia, i jednak plamka światła zareaguje na każdą. Główny przepływ prądu będzie oczywiście przesuwał zero plamki, ale poza tą zmianą miejsca plamka będzie podążać za chwilowymi fluktuacjami prądu, które tworzą poszczególne sygnały przekazu. Co z tym przesunięciem zera i bardzo niewielkim wzrostem i spadkiem prądu wytwarzanym przez szybką sygnalizację, zwykłe przyrządy naziemne nie nadają się do pracy z długimi kablami.

Galwanometr z ruchomą cewką

Galwanometr z ruchomą cewką został opracowany niezależnie przez Marcela Depreza i Jacques-Arsène d'Arsonval około 1880 r. Galwanometr Depreza został opracowany dla dużych prądów, podczas gdy D'Arsonval zaprojektował go do pomiaru prądów słabych. W przeciwieństwie do galwanometru Kelvina, w tego typu galwanometrze magnes jest nieruchomy, a cewka jest zawieszona w szczelinie magnesu. Lustro przymocowane do ramy cewki obraca się razem z nią. Ta forma instrumentu może być bardziej czuła i dokładna, aw większości zastosowań zastąpiła galwanometr Kelvina. Galwanometr z ruchomą cewką jest praktycznie odporny na pola magnetyczne otoczenia. Inną ważną cechą jest samo-tłumienie generowane przez siły elektromagnetyczne spowodowane prądami indukowanymi w cewce przez jej ruchy polem magnetycznym. Są one proporcjonalne do prędkości kątowej cewki.

Nowoczesne zastosowania

Lustro galvo w projektorze laserowym RGB .
„EdSpot”, popularny komercyjny galwanometr zwierciadlany, nieco przypomina to zdjęcie.

W dzisiejszych czasach szybkie galwanometry zwierciadlane są wykorzystywane w pokazach światła laserowego do poruszania wiązek lasera i tworzenia kolorowych wzorów geometrycznych we mgle wokół publiczności. Takie szybkie galwanometry zwierciadlane okazały się nieodzowne w przemyśle w systemach znakowania laserowego do wszystkiego, od ręcznych narzędzi trawienia laserowego, pojemników i części po kodowanie wsadowe płytek półprzewodnikowych w produkcji urządzeń półprzewodnikowych . Zwykle kontrolują kierunki X i Y na markerach laserowych Nd: YAG i CO 2 , aby kontrolować położenie plamki lasera mocy podczerwieni. Ablacja laserowa , obróbka wiązką laserową i cięcie płytek to wszystkie obszary przemysłowe, w których można znaleźć szybkie galwanometry zwierciadlane.

Ten galwanometr z ruchomą cewką jest używany głównie do pomiaru bardzo słabych lub małych prądów rzędu 10-9  A.

Aby zlinearyzować pole magnetyczne w cewce w całym zakresie ruchu galwanometru, projekt d'Arsonval cylindra z miękkiego żelaza jest umieszczony wewnątrz cewki bez jej dotykania. Daje to spójne pole radialne, a nie równoległe pole liniowe.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne