MKL1888:Galvanometer

Galvanometer, Vorrichtungen, welche zur Erkennung des Daseins und zur Beurteilung der Stärke schwacher galvanischer Ströme dienen und auf die Ablenkung einer Magnetnadel durch den Strom gegründet sind. Der Leitungsdraht wird, um die Wirkung des Stroms auf die Magnetnadel zu vergrößern, in zahlreichen Windungen, welche durch Umspinnung des Drahts mit Seide voneinander isoliert sind, um die Nadel herumgeführt (Fig. 1).

Fig. 1.

Einfache Nadel.

Fig. 2.

Astatisches Nadelpaar.

Da alle Windungen im gleichen Sinn auf die Nadel wirken u. demnach die ablenkende Kraft bei gleichbleibender Stromstärke im Verhältnis der Anzahl der Drahtwindungen vervielfacht (multipliziert) wird, nennt man eine solche Vorrichtung einen Multiplikator. Damit die Magnetnadel möglichst leicht beweglich sei, wird sie an einem Kokonfaden aufgehängt. Um noch größere Empfindlichkeit zu erreichen, wendet man ein astatisches Nadelpaar (Fig. 2) an, nämlich zwei durch ein Stäbchen miteinander fest verbundene und mit den gleichnamigen Polen nach entgegengesetzten Seiten gewendete Magnetnadeln, deren eine innerhalb, die andre außerhalb des Multiplikators über demselben schwebt. Sind die Nadeln nahezu gleich stark magnetisch, so hebt sich die Wirkung des Erdmagnetismus, der jede Nadel mit ihrem Nordpol n nach N. zu richten strebt, auf das vereinte Paar nahezu auf. Das Nadelpaar wird also nur durch eine sehr geringe Kraft in der Südnordrichtung festgehalten und kann daher schon durch einen sehr schwachen Strom aus dieser Richtung abgelenkt werden, um so mehr, als der in den Windungen des Multiplikators kreisende Strom nach den Regeln der elektromagnetischen Ablenkung (s. Elektromagnetismus) auf beide Nadeln in gleichem Sinn wirkt.

Fig. 3.

Galvanometer mit astatischem Nadelpaar.

Die Fig. 3 zeigt ein G. mit astatischem Nadelpaar; die untere Nadel schwebt in der Höhlung eines Holzrähmchens, auf welches die Drahtwindungen des Multiplikators gewickelt sind, die obere spielt auf einem in Grade eingeteilten Kreis, an dem man den Ablenkungswinkel abliest. Um störende Luftströmungen abzuhalten, ist eine Glasglocke über das Instrument gestülpt, vor welcher zwei Klemmschrauben sichtbar sind, welche mit den Drahtenden des Multiplikators verbunden und zur Aufnahme der Zuleitungsdrähte bestimmt sind. Eine noch größere Empfindlichkeit erreicht man durch die Spiegelgalvanometer, welcher heutzutage allein noch zu feinern Messungen gebraucht werden. Bei dem in Fig. 4 abgebildeten Spiegelgalvanometer von Weber schwebt ein an einem Kokonfaden aufgehängter Magnetstab innerhalb einer dicken kupfernen Hülse, auf welche der Multiplikatordraht in mehreren voneinander getrennten Lagen aufgewickelt ist, welche man vermittelst der links sichtbaren Klemmschrauben in verschiedener Weise unter sich und mit den beiden Zuleitungsdrähten verbinden kann. Die Kupferhülse hat den Zweck, die Schwingungen des Magnets zu dämpfen; indem dieser nämlich hin- und herschwingt, erregt er in der Kupferhülse galvanische Ströme (s. Magnetelektrizität), welche hemmend auf die Schwingungen des Magnetstabes zurückwirken und ihn sehr bald in seiner Gleichgewichtslage zur Ruhe bringen. Über dem Magnetstab und fest mit ihm verbunden, ist ein kleiner Spiegel angebracht, welcher in folgender Weise zur Bestimmung der Ablenkung des Magnetstabes dient. Man sieht mittels eines wagerecht aufgestellten Fernrohrs senkrecht auf den kleinen Spiegel ss (Fig. 5) und erblickt darin das Bild eines quer über dem Fernrohr angebrachten, in Millimeter geteilten Maßstabes mm und zwar den Nullpunkt o gerade am Fadenkreuz des Fernrohrs. Dreht sich nun der Magnet und mit ihm der Spiegel um einen kleinen Winkel φ, so sieht man am Fadenkreuz nicht mehr den Nullpunkt des Maßstabes, sondern denjenigen Teilpunkt n, von welchem jetzt Lichtstrahlen auf dem Weg npo in das Fernrohr gespiegelt werden. Da man nun die Strecke on und außerdem die Entfernung op des Maßstabes von dem Spiegel kennt, so läßt sich auch die Größe des Ablenkungswinkels leicht angeben. Das Spiegelgalvanometer ist auch sehr geeignet, die Ablenkung des Magnets durch einen die Multiplikatorwindungen durchfließenden Strom einer größern Anzahl von Beobachtern gleichzeitig sichtbar zu machen. Läßt man nämlich das Fernrohr weg und sendet ein Bündel Lichtstrahlen in der Richtung op auf den Spiegel, so wirft dieser in seiner Ruhelage ss das Strahlenbündel in sich selbst zurück und erzeugt einen Lichtfleck am Nullpunkt o des Maßstabes mm; wird nun der Magnet und mit ihm der Spiegel abgelenkt, so wird das Lichtbündel nach pn zurückgeworfen, und man sieht den Lichtfleck von o nach n wandern. Im Spiegelgalvanometer von Wiedemann ist der Magnet eine kreisrunde Stahlplatte, die selbst als Spiegel dient und innerhalb einer cylindrischen massiven Kupferhülse, welche als Dämpfer wirkt, aufgehängt ist. Beiderseits wirken auf den Magnet zwei längs der Cylinderachse verschiebbare Drahtrollen, die man in verschiedene Entfernungen von dem Magnet bringen wie auch ganz auf die Kupferhülse aufschieben und dadurch die Wirkung des Stroms nach Belieben abstufen kann. Das Spiegelgalvanometer von Thomson besteht aus zwei übereinander hängenden astatischen Magneten, deren oberer am Rücken eines kleinen Spiegels befestigt ist.

Fig. 4.

Spiegelgalvanometer.

Jeder Magnet hat seine eigne Drahtrolle nebst dem dicken, zur Dämpfung bestimmten Kupfergehäuse. Die Drähte der beiden Rollen laufen entgegengesetzt. An der Aufhängungsröhre des Kokonfadens ist ein schwacher, bogenförmig gekrümmter Magnet verschiebbar und drehbar befestigt, um dem Magnetpaar eine vom magnetischen Meridian unabhängige Einstellung geben zu können. Das Spiegelgalvanometer von Thomson dient als Zeichenempfänger beim transatlantischen Telegraphen (s. Telegraph). Den Magnet eines Spiegelgalvanometers macht man astatisch, d. h. man kompensiert die Richtkraft des Erdmagnetismus durch einen oberhalb, unterhalb oder seitwärts angebrachten verstellbaren Magnet. Durch eine solche Astatierungsvorrichtung in Verbindung mit geeigneter Dämpfung läßt sich bewirken, daß der Magnet des Galvanometers ohne weitere Schwingungen in die neue, abgelenkte Ruhelage übergeht oder sich aperiodisch bewegt. Für aperiodische G. eignet sich besonders der von seiner Gestalt so genannte Glockenmagnet von Siemens in massivem, kugelförmigem Dämpfer.

Die Entwickelung der Elektrotechnik rief das Bedürfnis nach Instrumenten hervor, welche gestatten, die durch dynamoelektrische Maschinen erzeugten sehr starken elektrischen Ströme zu messen und die elektrischen Größen womöglich unmittelbar in den vom Pariser Kongreß festgesetzten Einheiten (s. Elektrische Maßeinheiten) abzulesen. Marcel Deprez erreichte diese Zwecke durch folgende Konstruktion: Zwischen den Schenkeln eines sehr starken Hufeisenmagnets und in derselben Ebene mit ihnen ist der mit Leitungsdraht umwundene Galvanometerrahmen angebracht. Inmitten desselben ist eine Nadel aus weichem Eisen oder besser ein System von parallel aneinander gereihten eisernen Nadeln, welche durch den Magnet magnetisiert und gerichtet werden; die Wirkung des Erdmagnetismus ist durch den Stahlmagnet vollständig aufgehoben. Geht ein Strom durch die Windungen, so wird das bewegliche weiche Eisenstück abgelenkt, und ein mit dessen Achse in Verbindung stehender Zeiger gibt an einem Teilkreis die Größe der Ablenkung an. Da die Stromstärke den Ablenkungswinkeln nur dann proportional ist, wenn diese klein sind, so mußten, um diese Proportionalität zu wahren und dennoch eine deutliche Skala zu bekommen, die zulässigen kleinen Ablenkungswinkel mechanisch vergrößert werden.

Fig. 5.

Spiegelgalvanometer.

Dies wurde erreicht mittels einer auf der Achse der Eisenlamelle angebrachten Scheibe, welche durch eine feine, aber kräftige Schnur mit einer zweiten kleinern Scheibe in Verbindung steht. Die Schnur ist auf dem Umfang einer jeden Scheibe in einem Punkt befestigt, damit sie nicht gleiten kann. Die größere Scheibe hat einen Durchmesser von 30 mm, die kleinere von 6 mm. Der auf der Achse der letztern sitzende Zeiger zeigt also auf dem Teilkreis die Ablenkungswinkel fünfmal vergrößert. Ist der Rahmen mit nur wenigen Windungen eines dicken Kupferdrahts oder eines Kupferstreifens umwickelt, welcher einen geringen Widerstand (z. B. von 0,01 Ohm) darbietet, so kann man das G. in einen Stromkreis legen, ohne dessen Stromstärke merklich zu beeinflussen. Die Ablenkung ist alsdann dieser Stromstärke proportional und gibt dieselbe unmittelbar in Ampères an, wenn die Skala nach dieser Einheit graduiert ist. Das Instrument heißt in diesem Fall Ampèremeter. Versieht man dagegen den Rahmen mit zahlreichen Windungen eines dünnen Drahts, dessen Widerstand etwa 400 Ohms beträgt, so ist die Ablenkung, die eine Stromquelle von vergleichsweise geringem innern Widerstand hervorbringt, der elektromotorischen Kraft derselben oder dem Spannungsunterschied (der Potenzialdifferenz) an den zwei mit dem G. verbundenen Punkten des Stromkreises proportional, und man kann die elektromotorische Kraft oder Potenzialdifferenz, in Volts ausgedrückt, an der Skala ablesen, wenn diese in entsprechender Weise geeicht ist. Bei dieser Benutzung heißt der Apparat Voltmeter. Mann kann den dicken und den dünnen Draht auf denselben Rahmen wickeln und sodann ein und dasselbe Instrument zu beiderlei Art von Messungen benutzen. Eine geschickte Abänderung des Deprez-Galvanometers ist das Ampèremeter und Voltmeter von Deprez und Carpentier. Die abzulenkende Eisennadel befindet sich innerhalb einer Drahtspule, deren Achse mit den Schenkeln des Stahlmagnets in derselben Ebene liegt und, um größere Ausschläge zu ermöglichen, gegen die Verbindungslinie der Pole schräg gestellt ist. Das Instrument kann in jeder beliebigen Stellung benutzt werden und ist in eine runde Blechkapsel von 8–10 cm Durchmesser eingeschlossen; diesen geringen Dimensionen entsprechend, ist es leicht konstruiert. Es wird in zwei Ausführungen hergestellt, als Ampèremeter zum Messen von Stromstärken mit einer Spule aus kurzem, dickem Draht und als Voltmeter mit einer Spule aus sehr dünnem Draht. Auf demselben Prinzip beruhen die Instrumente von Ayrton und Perry, indem auch hier die Nadel dem Einfluß des Erdmagnetismus dadurch entzogen ist, daß sie sich im magnetischen Feld eines sehr kräftigen Stahlmagnets bewegt. Je nach der Bewickelung dient das Instrument als Ampèremeter (abgekürzt Ammeter) oder als Voltmeter. Ayrton und Perrys Ohmmeter ist von ähnlicher Form, nur daß statt eines permanenten Magnets ein Elektromagnet mit Windungen von 400 Ohms Widerstand benutzt wird, zwischen dessen Polen sich der Galvanometerrahmen befindet. Die Ablenkung der Nadel mißt das Verhältnis der Stromstärken in den beiden Bewickelungen; da aber der Strom in der 400-Ohmspule der Potenzialdifferenz an den Enden des eingeschalteten Stromkreises proportional ist, so gibt die Nadelablenkung das Verhältnis der Potenzialdifferenz (elektromotorischen Kraft) zur Stromstärke oder, dem Ohmschen Gesetz zufolge, den Widerstand des eingeschalteten Teils des Stromkreises an.

Das bussolenförmige G. von Hipp in Neuchâtel ist dadurch zur Messung starker Ströme geschickt gemacht, daß der Strom nicht in einfacher Linie, sondern hin und zurück in Form einer Schleife an der Nadel vorbeigeführt wird, wodurch man es in der Hand hat, die Stromwirkung auf das geeignete Maß abzuschwächen.

Das Torsionsgalvanometer von Siemens u. Halske ist ebenfalls für die Maschinenpraxis bestimmt und dient zum Messen von Spannungen (Potenzialdifferenzen). Dasselbe besteht aus einem an Spiralfeder (Torsionsfeder) und Faden aufgehängten Magnet (Glockenmagnet), auf welchen zwei Stromrollen wirken. Durch Drehung des oben befindlichen Torsionskopfes wird der abgelenkte Magnet wieder in die Ruhelage zurückgeführt. Der hierzu erforderliche Drehungswinkel, welcher mittels eines am Torsionskopf angebrachten Zeigers an einem Teilkreis abgelesen werden kann, gibt ein Maß für die ablenkende Kraft. Diese aber ist wegen des großen Widerstandes der Stromrollen der Spannungsdifferenz an den zwei mit dem G. verbundenen Punkten des Stromkreises proportional. Die Einrichtung ist so getroffen, daß ein Torsionswinkel von etwa 15° einer Spannungsdifferenz von 1 Volt entspricht. Durch einen Stöpsel läßt sich ein unter dem Instrument angebrachter Widerstand ausschalten, wodurch die Empfindlichkeit genau auf das Zehnfache gesteigert wird, so daß sich mit dem Torsionsgalvanometer Spannungsdifferenzen von 0,01–10 Volts messen lassen; das Instrument ist demnach ein Voltmeter. Vgl. auch Elektrodynamometer. Das Universalgalvanometer von Siemens ist eine Verbindung eines gewöhnlichen Galvanometers mit einer Wheatstoneschen Brücke, welche sowohl zur Messung von Stromstärken als auch von Widerständen und elektromotorischen Kräften (Spannungsunterschieden) verwendet werden und zugleich als Sinusbussole dienen kann. Sinusbussole und Tangentenbussole, s. d. Vgl. Wilke, Die elektrischen Meß- und Präzisionsinstrumente (Wien 1883); Kempe, Handbuch der Elektrizitätsmessungen (deutsch, Braunschw. 1883).