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EIN Galvanometer ist ein elektromechanischMessinstrument mit dem der Strom von a elektrischer Strom kann an der Drehung einer Messnadel abgelesen werden. Der zu messende Strom fließt durch eine Messspule und verursacht ein Magnetfeld Dadurch dreht sich die Nadel. In den ersten Versionen war die Spule statisch und die Nadel eine Kompassnadel, in späteren Versionen ist die Spule drehbar in einem statischen Magnetfeld aufgehängt und die Nadel zeigt die Drehung der Spule an. Galvanometer sind aufgrund ihres speziellen Aufbaus sehr empfindlich und werden daher hauptsächlich zur Messung sehr kleiner Ströme (im Bereich von Mikro- bis Milliampere) eingesetzt.
Geschichte
Hans Christian rsted war in 1820 der erste, der beschrieb, dass eine Magnetkompassnadel ausgelenkt wird, wenn sie in die Nähe eines stromdurchflossenen Leiters gebracht wird. Die Entdeckung dieses Phänomens ermöglichte die Entwicklung eines Instruments zur Messung elektrischer Ströme. Eines der ersten Galvanometer wurde am 16. September 1820 von Johann Schweiger, Professor an der Universität Halle. Ebenfalls André-Marie Ampère spielte eine wichtige Rolle in seiner Entwicklung.
In frühen Designs wurde die Spule aus mehreren Windungen des stromdurchflossenen Drahtes gebildet, um die Wirkung des durch den Strom verursachten Magnetfelds zu verstärken. Aufgrund dieser Konstruktion war dieses Instrument also am Anfang Multiplikator (Multiplikator). Der seit 1836 gebräuchliche Begriff Galvanometer ist eine Hommage an den italienischen Elektrizitätsforscher und Anatom Luigi Galvanic.
Ausführungsformen
Kurz nachdem Schweigger seinen Multiplikator entwickelt und veröffentlicht hatte, erschienen schnell ähnliche Instrumente auf dem Markt. So bauten die Deutschen unabhängig voneinander Johann Christian Poggendorff und die Briten James Cumming 1821 ihre Version des Galvanometers.
Tangentialgalvanometer
Zunächst nutzten diese Messgeräte das Erdmagnetfeld als lenkendes Drehmoment für die Kompassnadel. Diese wurden Tangentengalvanometer (oder Tangenten-Boussole) genannt und mussten vor der Verwendung in die richtige Richtung orientiert werden.
Das Tangentengalvanometer besteht aus einer runden, vertikal angeordneten Spule mit mehreren Windungen aus isoliertem Kupferdraht mit einer horizontal angeordneten Kompassnadel in der Mitte. Seine Funktionsweise basiert auf dem magnetischen "Tangentengesetz". Es besagt, dass der Strom in der Spule proportional zum Tangens des Drehwinkels ist, den die Magnetkompassnadel im Magnetfeld der Spule macht. Dieses Prinzip wurde erstmals 1837 von dem Franzosen beschrieben Claude Pouillet.
Astatisches Galvanometer
Der Nachteil früherer Galvanometer bestand darin, dass die Auslenkung der Nadel nicht nur durch den zu messenden Strom, sondern auch durch das Erdmagnetfeld beeinflusst wurde, was zu Messfehlern führte. Um die Störung des Erdmagnetfelds zu beseitigen, entwickelte der italienische Wissenschaftler Leopoldo Nobilic das astatische Galvanometer, von dem das erste im Mai 1825 der Italienischen Gesellschaft für Wissenschaft in Modena vorgestellt wurde.
Das astatische Galvanometer besteht aus zwei vollkommen ähnlichen Magnetnadeln, die parallel, aber entgegengesetzt gerichtet sind. Dadurch wird der Einfluss des Erdmagnetfeldes fast vollständig eliminiert. Die Auslenkung des Galvanometers wird nur durch den Strom durch die Spule beeinflusst, die nur um eine Magnetnadel gewickelt ist.
Spiegelgalvanometer
Das empfindlichste Galvanometer, das Spiegelgalvanometer, wurde von den Briten erfunden William Thomson (Herr Kelvin). Anstelle einer Kompassnadel befestigte er ganz kleine Permanentmagnete an einem dünnen Torsionsdraht aus Quarz und befestigte einen leichten Spiegel. Über einen auf den Spiegel gerichteten Lichtstrahl wird ein Lichtfleck auf eine transluzente Skala projiziert. Der Torsionsdraht sorgt dafür, dass die Magnete bei Stromunterbrechung in die Ruheposition zurückkehren.
Der Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, dass der Ablenkwinkel doppelt so groß ist wie die Drehung des Spiegels. Außerdem kann der Lichtstrahl im Gegensatz zu einem Zeiger so lang wie nötig gemacht werden, ohne zusätzliche Masse hinzuzufügen. Dadurch kann mit kleinem Ablenkwinkel eine recht große Verschiebung des Lichtflecks und damit eine klare Ablesung erreicht werden.
D'Arsonval Galvanometer
Der Nachteil der obigen Galvanometer besteht darin, dass der drehbar aufgehängte Magnet durch andere Magnete und Eisenmassen in unmittelbarer Nähe beeinflusst wird. Außerdem ist die Auslenkung des Zeigers oder Spiegels nicht linear zum zu messenden Strom. 1882 entwickelte der Franzose Jacques-Arsène d'Arsonval zusammen mit seinem Landsmann Marcel Deprez ein Galvanometer mit festem Hufeisen-Permanentmagnet und einer rotierenden Drahtspule, die an einem dünnen Torsionsdraht aus Phosphorbronze aufgehängt ist.
In die Stromspule wurde ein fester Eisenkern eingesetzt, so dass sich die Spule im Luftspalt zwischen den Polen des Magneten und dem Kern frei drehen konnte. Diese Konstruktion erzeugt – unabhängig von der Position der Spule – ein gleichmäßiges und konstantes Magnetfeld, das die Ablesung linear macht. Am Torsionsdraht – der auch als Zuleitung für den Strom dient – ist ein kleiner Spiegel angebracht, der die Auslenkung der Tauchspule auf eine Skalenanzeige projiziert.
Durch das konzentrierte Magnetfeld und die empfindliche Aufhängung waren diese Galvanometer sehr empfindlich und konnten in jeder gewünschten Position montiert werden. Da dieses Drehspul-Galvanometer nicht durch externe Magnetfelder beeinflusst wird, könnte dieses Messgerät auch in der Nähe von elektromagnetischen Maschinen wie Dynamos und Elektromotoren verwendet werden.
Um 1888 brachte Edward Weston eine kommerzielle Version dieses Instruments kam auf den Markt, die zur Standardkomponente in Elektrogeräten wurde. Dieses Design ist auch die Basis von allen Drehspulzähler.
String-Galvanometer
Um die Herzfrequenz zu messen, entwickelte der niederländische Arzt Willem Einthoven eine spezielle, hochempfindliche Version des Galvanometers, nämlich das namely String-Galvanometer. Dabei wird die rotierende Galvanometerspule auf einen dünnen versilberten Quarzdraht reduziert, der als Stromleiter zwischen zwei Magnetpolen eines sehr starken Elektromagneten gespannt wird. Dieser Draht wird senkrecht zum Magnetfeld abgelenkt, wenn ein Strom fließt. Durch die Aufzeichnung der Auslenkung mit einer Lichtquelle auf fotografisch empfindlichem Papier gelang Einthoven dies erstmals Elektrokardiogramm produzieren.
Einen ausführlicheren Artikel zu diesem Galvanometertyp finden Sie unter String-Galvanometer
Anwendungen
Das Galvanometer war eine der ersten praktischen Anwendungen des Elektromagnetismus und ermöglichte es Wissenschaftlern, den Elektromagnetismus verständlich zu machen. Im 19. Jahrhundert wurden Galvanometer in vielen verschiedenen Bereichen der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt. Galvanometer waren Ende des 19. Jahrhunderts in der Telegrafie weit verbreitet, um beispielsweise Fehler in erdverlegten Telekommunikationskabeln zu erkennen.
Mit einem Spiegelgalvanometer ist es auch möglich, kleine oder schwache Signale aufzuzeichnen, indem der reflektierte Lichtstrahl auf einen Streifen lichtempfindlichen Fotopapiers fällt. Nach der Entwicklung des Fotopapiers lag eine Aufzeichnung des Signals vor - rechtzeitig gesehen. Dies wurde auf die erste angewendet EKG's (EKG) aber auch bei der Aufzeichnung von Messergebnissen von analoge Computer.
Da der Innenwiderstand dieses Analogmeters sehr gering ist, eignet sich das Messgerät hervorragend zum Messen kleiner Ströme. Sollen größere Ströme gemessen werden, kann dies durch Shunt-Widerstände erreicht werden. Eine bekannte Anwendung des Galvanometers ist als Nullstrommesser in der Wheatstone-Brücke.
Die Verwendung von Galvanometern wurde weitgehend verdrängt durch elektronisch Amplifikation und Detektion. Der Vorteil digitaler Instrumente ist eine hohe Genauigkeit, aber aufgrund von Faktoren wie Energieverbrauch und Preis werden in bestimmten Anwendungen manchmal noch analoge Galvanometer verwendet.
Laserprojektion
Im Laserprojektionssysteme Galvanometer mit Spiegel sind immer noch weit verbreitet, nicht zum Messen, sondern um den Laserstrahl in eine bestimmte Richtung zu lenken. Durch Variation des Stroms durch die Spule steht der Spiegel immer in einem entsprechenden Winkel und der Laserstrahl wird daher immer in einem anderen Winkel abgelenkt. Durch die rechtwinklige Anordnung zweier Spiegelsysteme kann der Laserstrahl auf einen beliebigen Punkt einer Ebene gelenkt werden (X-Y-Steuerung) und beispielsweise zwei unabhängige periodische Signale verwendet werden. Lissajous-Figuren, sind geschrieben. In solchen Systemen werden die Galvanometer oft als "Galvo" bezeichnet.
Quellen, Anmerkungen und/oder Verweise
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