Початок електроприладобудування і електрометрії

Розвиток досліджень в області електричних і магнітних явищ і розширення їх практичних застосувань викликали необхідність розробки методів вимірювань основних електричних величин та створення спеціальних приладів.

Принцип дії перших електричних приладів був заснований на відхиленні магнітної стрілки електричним струмом. Однак такі прилади були по суті лише індикаторами струму.

Першим індикатором електричного струму був мультиплікатор І. X. Швейггера, створений в 1820 т. Він представляв собою рамку, що складається з декількох витків дроту, всередині якої містилася магнітна стрілка. Досліди показали, що збільшення числа витків котушки підсилює дію струму на стрілку. Однак внаслідок впливу земного магнетизму на магнітну стрілку мультиплікатора його свідчення були неточними.

У 1821 р була знайдена (Ампером) можливість усунення впливу земного магнетизму за допомогою астатичній пари, що представляє собою дві магнітні стрілки, укріплені на загальній осі і розташовані паралельно один одному, причому полюси стрілок звернені в різні боки.

У 1825 році італійський фізик Л. нобілі скомбінував астатическую пару з мультиплікатором і влаштував більш чутливий прилад. Для практичних вимірювань необхідні були прилади з безпосереднім відліком, заздалегідь проградуйовані, за якими можна було б відраховувати вимірювані величини.

Цілком зрозуміло, що спочатку найбільша потреба виникала в безпосередньому вимірі величини, струму, що протікає по провіднику. Першим кроком в цьому напрямку було створення стрілочних приладів, в яких синус або тангенс кута відхилення стрілки був пропорційний величині струму. Такі прилади називалися відповідно синус-гальванометра і тангенс-гальванометра.

У 30-х роках XIX ст. широке поширення отримав тангенс-гальванометр професора Гельсінгфорского університету І. Нервандера. Однак безпосереднє визначення вимірюваної величини за допомогою такого приладу було важким. Необхідно було отградуировать прилад.

Перша спроба отградуировать гальванометр була зроблена в 1839 р Б. С. Якобі. Включивши гальванометр послідовно в один ланцюг з вольтаметр, Якобі зміг встановити залежність між величиною струму, яка визначається за допомогою електролізу, і відхиленням магнітної стрілки гальванометра. Таким чином, було встановлено поняття про градуйованому на величину струму гальванометрі і введений метод градуювання, що набув широкого поширення.

Велике значення для розвитку електроенергетики мало створення електромагніта (1825 р У. Стерджен). Починаючи з другої чверті XIX ст., Електромагніти стали широко використовуватися в різних електричних приладах і пристроях.

Наявність в розпорядженні фізиків і електротехніків таких пристроїв і деталей, як електромагніт, реле, астатическая пара, дзеркальна шкала, пружини для створення протидіє моменту, дозволяло перейти до побудови більш досконалих електровимірювальних пристроїв. Уже в першій половині XIX ст. створюються більш чутливі і точні гальванометри, електродінамометр, статичний гальванометр і т. п.

Успіхи в області теоретичних і експериментальних досліджень привели до відкриття нових методів електричних і магнітних вимірювань. До них відносяться розробка балістичного методу вимірювань (Е. X. Ленц, 1832 г.), компенсаційного методу (І. Поггендорф, 1841 г.), мостиковой вимірювальної схеми (Ч. Уитстон, 1843) та ін.

Баллистический метод заснований на вимірюванні за допомогою балістичного гальванометра імпульсів кількості електрики, наведених при зміні потокозчеплення в витках котушки, включеної в ланцюг гальванометра.

Баллистический гальванометр відрізняється від звичайного дзеркального гальванометра значно більшим моментом інерції рухомої частини приладу, що забезпечує рух його рамки після припинення струму в ній. Основи теорії балістичного гальванометра були розроблені Ленцем.

Дія наведеного струму розглядалося як миттєвий удар (звідси походить назва приладу: баліста-давньогрецьке метальна зброя), під впливом якого стрілка мультиплікатора відхиляється з певною швидкістю, причому ця швидкість пропорційна sin а / 2, де а - кут найбільшого відхилення стрілки.

Компенсаційний метод вимірів значно підвищує точність вимірювань. Основною перевагою цього методу є те, що вимірювання проводиться при повній компенсації струмів в окремих гілках, коли через індикатор струм не проходить (нульове показання). При цьому виключаються похибки, викликані падінням напруги в проводах, неминучим при вимірюванні звичайним вольтметром.

Компенсаційний метод широко використовується в малопотужних ланцюгах, де включення вимірювальних приладів пов'язано зі споживанням потужності, яка відповідає потужністю, що витрачається в вимірюваної ланцюга.

Розвиток телеграфії і ряд інших застосувань електрики вимагали створення приладу для вимірювання опору. У 40-60-х роках розробляються перші конструкції реостатів ( "вольтагометр" Б. С. Якобі), реохордів (І. Поггендорф), магазинів опорів і інших подібних їм пристроїв.

У розглянутий період стабілізуються найменування основних електричних величин, поступово встановлюються терміни: електричний опір, е.р.с., сила струму, кількість електрики і ін .; застосування цих термінів у науковій і технічній літературі поступово набуває однозначний характер.

Протягом 1830-1860 рр. було побудовано багато вимірювальних приладів і розроблені методи вимірювань основних електричних величин. Був закладений міцний фундамент електрометрії, але вона ще в основному була зосереджена в лабораторіях.

Лише з 70-х років минулого століття відбувається дуже швидке впровадження вимірювальних методів в широку практику. Що стосується одиниць для вимірювання електричних величин, то протягом аналізованого нами періоду в цій області спостерігалося несталий положення і багато дослідників мали вводити в науковий обіг свої одиниці.

Поняття електричних одиниць в той час іноді ототожнювалося з поняттям еталона. Так, для вимірювання електричного опору Е. X. Ленц (1838 г.) користувався одиницею, реалізованої у вигляді еталону, що мав характер калиброванной мідного дроту довжиною 1 фут, взятої з сортаменту того часу.

У 1848 р Якобі створив нормальний еталон опору, який набув поширення у багатьох лабораторіях Росії і Європи і мав таке зовнішнє оформлення, яке відповідає нашим сучасним уявленням про ідеалі.

"Одиниця опору Якобі" виготовлялася у вигляді котушки мідного дроту довжиною 25 футів вагою 22,5 г і діаметром 0,67 мм, вміщеній в спеціальну скриньку і залитої ізолюючим складом. Еталони цієї одиниці виготовлялися серійно.

Поряд з одиницею Якобі існували також одиниці опору Сіменса , Уитстона і ін. Плутанина в цій області нагадувала, за висловом Якобі, положення в суспільному житті, яке склалося б, якби кожна людина користувався своїми особливими метрами або фунтами.

Необхідність встановлення єдиних міжнародних одиниць все більш зростала; зокрема, в зв'язку з тим, що телеграф перетворився в міжнародний засіб зв'язку, назріла потреба в уніфікації одиниць опору.

Великий крок вперед в області встановлення загальновизнаних одиниць був зроблений в 1861 р Британською асоціацією для сприяння розвитку наук, що створила спеціальний Комітет для розробки питання про еталоні одиниці електричного опору. До складу Комітету входили такі видатні вчені, як У. Томсон (Кельвін), Дж. Максвелл і ін.

Комітет розширив програму своїх робіт і, не обмежившись проблемою одиниці і еталона опору, представив в 1870 р Асоціації проект, в якому рекомендувалася система електричних одиниць, що грунтується на абсолютній електромагнітної системі.

Комітет запропонував на розгляд наступні практичні одиниці: опору - «омада» або «ом» , е. д. з. - «Вольт» , електричної ємності - «Фарада» . Одиниці струму і кількості електрики були похідними від попередніх, і для них особливих назв запропоновано не було. Що стосується матеріального еталона одиниці опору, то Комітет зупинився на стандарті з дроту (сплав 2 частин срібла і 1 частини платини).

Пропозиція Комітету Британської асоціації могло носити лише рекомендаційний характер, до того ж переважно для Англії. Проблема ж набувала велику острогу, і ставали абсолютно необхідним і неминучим розгляд її в міжнародному масштабі.

На проведеному в 1881 р Міжнародному конгресі електриків обговорення питання про одиниці виявилося в центрі уваги вчених. Спеціальна Комісія, заснована Конгресом, визнала, що електричні одиниці повинні грунтуватися на метричній системі, і схвалила запропоновані Комітетом Британської асоціації основні одиниці: сантиметр, грам, секунду.

З двох систем - абсолютної електростатичної і абсолютної електромагнітної - рекомендувалася для застосування абсолютна електромагнітна система як більш зручна для вимірювальних цілей; при цьому не виключалася можливість користування і абсолютної електростатичної системою.

Комісія також вирішила питання про одиниці струму і кількості електрики і дала їм найменування «ампер» і «кулон» . Остаточне вирішення питання про одиниці і стандартах отримав на Чиказькому електротехнічному конгресі в 1893 р

Джерело інформації: Л. Д. Белкінд, О. М. Веселовський, І. Я. конфедератів, Я. А. Шнейберг. Історія енергетичної техніки . М., Л .: Госенергоіздат, 1960.