Начало электроприборостроения и электрометрии

Развитие исследований в области электрических и магнитных явлений и расширение их практических применений вызвали необходимость разработки методов измерений основных электрических величин и создания специальных электроизмерительных приборов.

Принцип действия первых электрических приборов был основан на отклонении магнитной стрелки электрическим током. Однако такие приборы являлись по существу лишь индикаторами тока.

Первым индикатором электрического тока был мультипликатор И. X. Швейггера, созданный в 1820 т. Он представлял собой рамку, состоящую из нескольких витков проволоки, внутри которой помещалась магнитная стрелка. Опыты показали, что увеличение числа витков катушки усиливает действие тока на стрелку. Однако вследствие влияния земного магнетизма на магнитную стрелку мультипликатора его показания были неточными.

В 1821 г. была найдена (Ампером) возможность устранения влияния земного магнетизма с помощью астатической пары, представляющей собой две магнитные стрелки, укрепленные на общей оси и расположенные параллельно друг другу, причем полюсы стрелок обращены в разные стороны.

В 1825 г. итальянский физик Л. Нобили скомбинировал астатическую пару с мультипликатором и устроил более чувствительный прибор. Для практических измерений необходимы были приборы с непосредственным отсчетом, заранее проградуированные, по которым можно было бы отсчитывать измеряемые величины.

Вполне понятно, что вначале наибольшая потребность возникала в непосредственном измерении величины, тока, протекающего по проводнику. Первым шагом в этом направлении было создание стрелочных приборов, в которых синус или тангенс угла отклонения стрелки был пропорционален величине тока. Такие приборы назывались соответственно синус-гальванометрами и тангенс-гальванометрами.

В 30-х годах XIX в. широкое распространение получил тангенс-гальванометр профессора Гельсингфорского университета И. Нервандера. Однако непосредственное определение измеряемой величины с помощью такого прибора было трудным. Необходимо было отградуировать прибор.

Первая попытка отградуировать гальванометр была сделана в 1839 г. Б. С. Якоби. Включив гальванометр последовательно в одну цепь с вольтаметром, Якоби смог установить зависимость между величиной тока, определяемой посредством электролиза, и отклонением магнитной стрелки гальванометра. Таким образом, было установлено понятие о градуированном на величину тока гальванометре и введен метод градуировки, получивший широкое распространение.

Большое значение для развития электроприборостроения имело создание электромагнита (1825 г., У. Стерджен). Начиная со второй четверти XIX в., электромагниты стали широко использоваться в различных электрических приборах и устройствах.

Наличие в распоряжении физиков и электротехников таких устройств и деталей, как электромагнит, реле, астатическая пара, зеркальная шкала, пружины для создания противодействующего момента, позволяло перейти к построению более совершенных электроизмерительных устройств. Уже в первой половине XIX в. создаются более чувствительные и точные гальванометры, электродинамометр, статический гальванометр и т. п.

Успехи в области теоретических и экспериментальных исследований привели к открытию новых методов электрических и магнитных измерений. К ним относятся разработка баллистического метода измерений (Э. X. Ленц, 1832 г.), компенсационного метода (И. Поггендорф, 1841 г.), мостиковой измерительной схемы (Ч. Уитстон, 1843 г.) и др.

Баллистический метод основан на измерении с помощью баллистического гальванометра импульсов количества электричества, наведенных при изменении потокосцепления в витках катушки, включенной в цепь гальванометра.

Баллистический гальванометр отличается от обычного зеркального гальванометра значительно большим моментом инерции подвижной части прибора, что обеспечивает движение его рамки после прекращения тока в ней. Основы теории баллистического гальванометра были разработаны Ленцем.

Действие наведенного тока рассматривалось как мгновенный удар (отсюда происходит название прибора: баллиста—древнегреческое метательное орудие), под влиянием которого стрелка мультипликатора отклоняется с определенной скоростью, причем эта скорость пропорциональна sin а/2, где а — угол наибольшего отклонения стрелки.

Компенсационный метод измерений значительно повышает точность измерений. Основным достоинством этого метода является то, что измерение производится при полной компенсации токов в отдельных ветвях, когда через индикатор ток не проходит (нулевое показание). При этом исключаются погрешности, вызываемые падением напряжения в проводах, неизбежным при измерении обыкновенным вольтметром.

Компенсационный метод широко используется в маломощных цепях, где включение измерительных приборов связано с потреблением мощности, соизмеримой с мощностью, расходуемой в измеряемой цепи.

Развитие телеграфии и ряд других применений электричества требовали создания прибора для измерения сопротивления. В 40—60-х годах разрабатываются первые конструкции реостатов ("вольтагометр" Б. С. Якоби), реохордов (И. Поггендорф), магазинов сопротивлений и других подобных им устройств.

В рассматриваемый период стабилизируются наименования основных электрических величин, постепенно устанавливаются термины: электрическое сопротивление, э.д.с., сила тока, количество электричества и др.; применение этих терминов в научной и технической литературе постепенно приобретает однозначный характер.

В течение 1830—1860 гг. было построено много измерительных приборов и разработаны методы измерений основных электрических величин. Был заложен прочный фундамент электрометрии, но она еще в основном была сосредоточена в лабораториях.

Лишь с 70-х годов прошлого века происходит очень быстрое внедрение измерительных методов в широкую практику. Что касается единиц для измерения электрических величин, то в течение рассматриваемого нами периода в этой области наблюдалось неустановившееся положение и многие исследователи должны были вводить в научный оборот свои единицы.

Понятие электрических единиц в то время иногда отождествлялось с понятием эталона. Так, для измерения электрического сопротивления Э. X. Ленц (1838 г.) пользовался единицей, реализованной в виде эталона, имевшего характер калиброванной медной проволоки длиной 1 фут, взятой из сортамента того времени.

В 1848 г. Якоби создал нормальный эталон сопротивления, который получил распространение во многих лабораториях России и Европы и имел такое внешнее оформление, которое соответствует нашим современным представлениям об эталоне.

"Единица сопротивления Якоби" изготовлялась в виде катушки медной проволоки длиной 25 футов весом 22,5 г и диаметром 0,67 мм, помещенной в специальный ящичек и залитой изолирующим составом. Эталоны этой единицы изготовлялись серийно.

Наряду с единицей Якоби существовали также единицы сопротивления Сименса, Уитстона и др. Путаница в этой области напоминала, по выражению Якоби, положение в общественной жизни, которое сложилось бы, если бы каждый человек пользовался своими особыми метрами или фунтами.

Необходимость установления единых международных единиц все более возрастала; в частности, в связи с тем, что телеграф превратился в международное средство связи, назрела потребность в унификации единиц сопротивления.

Большой шаг вперед в области установления общепризнанных единиц был сделан в 1861 г. Британской ассоциацией для содействия развитию наук, создавшей специальный Комитет для разработки вопроса об эталоне единицы электрического сопротивления. В состав Комитета входили такие видные ученые, как У. Томсон (Кельвин), Дж. Максвелл и др.

Комитет расширил программу своих работ и, не ограничившись проблемой единицы и эталона сопротивления, представил в 1870 г. Ассоциации проект, в котором рекомендовалась система электрических единиц, основанная на абсолютной электромагнитной системе.

Комитет предложил на рассмотрение следующие практические единицы: сопротивления — «омада» или «ом», э. д. с. — «вольт», электрической емкости — «фарада». Единицы тока и количества электричества были производными от предыдущих, и для них особых названий предложено не было. Что касается вещественного эталона единицы сопротивления, то Комитет остановился на эталоне из проволоки (сплав 2 частей серебра и 1 части платины).

Предложение Комитета Британской ассоциации могло носить лишь рекомендательный характер, притом преимущественно для Англии. Проблема же приобретала большую острогу, и становились совершенно необходимым и неизбежным рассмотрение ее в международном масштабе.

На состоявшемся в 1881 г. Международном конгрессе электриков обсуждение вопроса о единицах оказалось в центре внимания ученых. Специальная Комиссия, учрежденная Конгрессом, признала, что электрические единицы должны основываться на метрической системе, и одобрила предложенные Комитетом Британской ассоциации основные единицы: сантиметр, грамм, секунду.

Из двух систем — абсолютной электростатической и абсолютной электромагнитной — рекомендовалась для применения абсолютная электромагнитная система как более удобная для измерительных целей; при этом не исключалась возможность пользования и абсолютной электростатической системой.

Комиссия также решила вопрос о единицах тока и количества электричества и дала им наименования «ампер» и «кулон». Окончательное разрешение вопрос о единицах и эталонах получил на Чикагском электротехническом конгрессе в 1893 г.

Источник информации: Л. Д. Белкинд, О. Н. Веселовский, И. Я. Конфедератов, Я. А. Шнейберг. История энергетической техники. М., Л.: Госэнергоиздат, 1960.