mini|Schematischer Aufbau eines Galvanometers nach Weston, wie es in Drehspulmesswerken zur Strommessung verwendet wird – schräge Sicht auf Rahmenspule und ihre Drehachse mini|Ursprünglicher Schweigger-Multiplikator, wie ihn Gauß und Weber in ihrer Telegrafenlinie 1833 in Göttingen verwendeten Ein Galvanometer (zunächst auch Schweigger-Multiplikator genannt oder ebenso veraltet auch Rheometer) ist ein elektromagnetisches und elektromechanisches Strommessgerät, bei dem das durch elektrischen Strom erzeugte Magnetfeld genutzt wird, um eine mechanische Drehbewegung zu erzeugen, die proportional zur Stromstärke ist.
Dieses Prinzip wird unter anderem auch in Drehspulmesswerken in Kombination mit einem Zeiger und einer Skala als Anzeigeinstrument verwendet. Weitere Anwendungen liegen beim Galvanometerantrieb, welcher zur schnellen Winkelverstellung für Lichtzeiger, Scanner oder in CD‑Spielern verwendet wird. Das Galvanometer ist nach dem italienischen Arzt und Forscher Luigi Galvani (1737–1798) benannt.
Geschichte mini|rechts|Frühes tangentiales Galvanometer mit Kompass (Bussole), waagerecht justierbar in der schwarzen Ringspule, in der der Messstrom fließt mini|rechts|Spiegelgalvanometer nach d’Arsonval. Oberhalb des schwarzen Dauermagneten ist der kleine kreisrunde Spiegel auf der Achse erkennbar Galvanometer waren die ersten Messgeräte zur Messung des elektrischen Stroms. Das zugrundeliegende Prinzip wurde von Hans Christian Ørsted an der Auslenkung magnetischer Kompassnadeln beobachtet, wenn in der Nähe ein elektrischer Leiter, wie z. B. ein Stück Draht, durch Strom durchflossen wurde.Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam, Eigenverlag 1820. Der Grad der Auslenkung der Kompassnadel im Erdmagnetfeld entsprach dabei (nichtlinear) der Stromstärke durch den Draht.
Die Bezeichnung Galvanometer geht auf Arbeiten von Johann Salomo Christoph Schweigger an der Universität Halle im Jahr 1820 zurück. Es folgten konstruktive Verbesserungen, unter anderem dadurch, dass der Draht in mehreren Windungen um die Magnetnadel geführt wurde, um den Effekt der Auslenkung bei schwachen Strömen zu vervielfachen. Da die Windungen den gleichen Wickelsinn aufweisen, ist die ablenkende Kraft bei identischem Strom um die Anzahl der Windungen multipliziert, weshalb diese Bauform von Galvanometer in der Anfangszeit auch als Multiplikator oder als Schweigger-Multiplikator bezeichnet wurde.Meyers Großes Konversations-Lexikon, 6. Auflage, 1905–1909.
Diese frühen Galvanometer mit einer Kompassnadel stellten sogenannte tangentiale Galvanometer dar, da sie vor ihrer Benutzung im Erdmagnetfeld ausgerichtet werden mussten und dieses als Rückstellmoment nutzen. Spätere Bauformen mit astatischen Nadeln vermieden diesen störenden Einfluss (André-Marie AmpèreWolfgang Schreier (Hrsg.), Biographien bedeutender Physiker, Volk und Wissen 1984, S. 133, Leopoldo Nobili). Eine sehr empfindliche Bauform, das Spiegelgalvanometer, geht auf Arbeiten von William Thomson aus dem Jahr 1858, nach Vorarbeiten von Johann Christian Poggendorff aus dem Jahr 1826, zurück. Statt einer Nadel als Anzeige wird auf der Achse ein kleiner Spiegel montiert, und ein Lichtstrahl dient dabei als Anzeige auf einer Projektionswand. Damit konnten, bei hinreichend weiter Entfernung der Projektionswand, auch sehr kleine Auslenkungen des Spiegels angezeigt werden.
1882 erfanden unabhängig voneinander Jacques Arsène d’Arsonval und Marcel Depréz eine Form von Galvanometer, in der die radial bewegbare, auf Federn aufgehängte Spule mit einem Träger von einem starken Dauermagneten umgeben ist. Der magnetische Kreis wird im Außenbereich durch eine Befestigung aus ferromagnetischem Eisen sichergestellt, im Innenbereich der Spule durch einen starr angebrachten Zylinder aus Eisen. Die Spule bewegt sich radial frei in dem Spalt zwischen innen liegendem Eisenzylinder und außen liegendem Dauermagnet, was in guter Näherung einen linearen Zusammenhang zwischen Auslenkung der Spule und dem daran angebrachten Spiegel für die optische Anzeige und dem durch die Spule fließenden elektrischen Strom ergibt. Galvanometer nach d’Arsonval weisen bereits eine sehr hohe Empfindlichkeit auf. D’Arsonval konnte mit seinem Aufbau in den 1880er Jahren Ströme im Bereich weniger Mikroampere messen.
Edward Weston verbesserte das Galvanometer von d’Arsonval und patentierte diese Verbesserungen im Jahr 1888. Unter anderem brachte er eine feine, spiralförmige Feder am Spulenkörper an, im Aufbau ähnlich der Spiralfeder, wie sie in Uhren bei der Unruh eingesetzt wird, um so den Spulenkörper ohne Stromfluss in eine definierte Ruhelage zu bewegen und eine definierte Gegenkraft zur elektromagnetischen Auslenkung sicherzustellen. Weitere Verbesserungen betrafen die Form und Montage der außen angebrachten Permanentmagnete, um die Genauigkeit des Instruments über die Zeit sicherzustellen. Zudem ersetzte er den Spiegel durch einen Zeiger, der über eine Skala die direkte Ablesung des Messwertes erlaubte und so die umständliche Justage des Spiegels, der Projektionswand und der Lichtquelle bei dem Aufbau nach d’Arsonval vermied. Diese Bauform von Weston, auch als Zeigergalvanometer bezeichnet, stellt die Grundlage der auch heute bei elektromechanischen Anzeigen verwendeten Drehspulmesswerke dar. 1902 konstruierte Willem Einthoven ein SaitengalvanometerPaul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 55. zur Erforschung der Aktionsströme des Herzens.
Prinzipien mini|rechts|Zeigergalvanometer nach Weston, wie es heute noch in Drehspulmesswerken Verwendung findet Es gibt verschiedene Ausführungen von Galvanometern, die sich nach Art der Ablesung, Lagerung und Empfindlichkeit unterscheiden. Wie viele andere analog anzeigende und elektromechanisch aufgebaute Messgeräte sind alle Galvanometer sehr stoßempfindlich und müssen durch geschlossene Gehäuse vor Luftströmungen geschützt werden.
Ablesung mini|Historisches Spiegelgalvanometer Folgende Prinzipien der Ablesung des Messwertes sind bekannt: Zeigergalvanometer An der Drehspule ist ein Zeiger angebracht, Anwendung findet dieser Typ in Drehspulmesswerken. Spiegelgalvanometer besitzen an Stelle des Zeigers einen kleinen Spiegel an der Drehspule. Eine von einer Projektionslampe oder einem Laser erzeugte Strichmarke wird vom Spiegel reflektiert und auf eine getrennt vom Galvanometer aufgestellte Skala projiziert. Spiegelgalvanometer können sehr empfindlich ausgelegt werden, da der masselose Lichtzeiger, entsprechend lichtstarke Projektionslampen bzw. Laser vorausgesetzt, nahezu beliebig lang gemacht werden kann. Auch verdoppelt sich durch die Reflexion der Ablenkwinkel. Nachteilig ist, dass es sich um drei getrennte Komponenten handelt, die aufeinander eingerichtet und justiert sein müssen. Lichtmarkengalvanometer Sie vermeiden diese Nachteile, indem die drei Teile des Spiegelgalvanometers (Messwerk, Skale und Lampe mit Optik) in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden. Die Länge des Lichtzeigers ist durch die Größe des Gehäuses begrenzt; allerdings können mehrfache Spiegelungen im Inneren den Zeiger verlängern.
Lagerung Nach der Art der Lagerung werden die folgenden Typen unterschieden: Spitzenlagerung Bei Galvanometern mit Spitzenlagerung besitzt die Drehspule eine Achse mit Stahlspitzen, die in gefederten Edelsteinen gelagert sind. Die Stromzuführung zur Drehspule erfolgt über zwei Spiralfedern, die auch das Rückstellmoment des Zeigers in Richtung Nullposition liefern. Spannbandlagerung Galvanometer mit Spannbandlagerung haben anstatt einer Achse zwei Metallbänder, die federnd gespannt sind. Die Bänder dienen der Stromzuführung zur Drehspule und deren Torsionsmoment zur Rückstellung. Eine besondere Bauart vereint die Funktionen der Rückstellung und die der Drehspule dadurch, dass nur noch eine einzige Drahtschleife durch zwei parallel gespannte Leiterfäden mit einem eingeklemmten Spiegel Verwendung findet, wodurch sich eine sehr kurze Reaktionszeit ergibt und oszillographische Aufzeichnungen möglich werden. Bandaufhängung Galvanometer mit Bandaufhängung haben ebenfalls zwei Metallbänder zur Stromzuführung. Die Drehspule ist an einem der Bändchen senkrecht aufgehängt, dessen geringes Torsionsmoment der Rückstellung dient. Das tragende Bändchen kann so dünn ausgeführt werden, dass es gerade in der Lage ist, das Gewicht der Drehspule auszuhalten. Mit diesen Geräten wird die höchste Empfindlichkeit erreicht.
Jede drehfedernd montierte Masse tendiert wie die Unruh einer Uhr zu Schwingungen. Ein Stromimpuls, also das Integral eines nur kurzzeitig (typisch: Bruchteile einer Sekunde) fließenden Stroms kann über die bewirkte Amplitude, also den Spiegel- oder Zeigermaximalausschlag gemessen werden. Um Dauerströme (Wechselstrom muss gleichgerichtet werden) zu messen, braucht es eine möglichst ruhige Anzeige durch geeignete Dämpfung. Ein sich in Luft drehender Spiegel kann durch die Viskosität der Luft gegenüber dem sehr geringen Rückstellmoment eines Drehfadens schon passend gedämpft werden. Manche Zeiger-Galvanometer nach Weston haben in rückwärtiger Verlängerung des Zeigers ein Paddel, das in einem geschlitzten und mit geringem Spaltabstand verlaufenden Torussegment Luft schiebt, womit sich eine sehr starke Dämpfung mit einer Zeitkonstante von über einer Sekunde realisieren lässt. Geläufig ist jedoch, dass die Spule auf einen zarten Alurahmen gewickelt wird, dessen Bewegung im Magnetfeld Ströme induziert, die der Ursache entgegenwirken, also dämpfen.
Astatische Nadeln mini|rechts|Galvanometer mit astatischen Nadeln, Schutzzylinder aus Glas mit planem Fenster zum Spiegel Galvanometer mit astatischen Nadeln stellen eine Form von Galvanometer dar, die vom italienischen Physiker Leopoldo Nobili um 1826 erfunden wurde.
Bei diesem Aufbau sind zwei gleich starke hartmagnetische Nadeln parallel untereinander mit entgegengesetzter Polarisierung und an einem Faden befestigt. Durch die entgegengesetzte Polung wird der Einfluss des Erdmagnetfeldes eliminiert, der Messaufbau wird astatisch. Dieser Aufbau kann in jeder Position, in die er gebracht wird, verbleiben, ohne sich wieder am Erdmagnetfeld auszurichten. Um eine Messung von Fremdkräften zu ermöglichen, darf der Einfluss des Erdmagnetfeldes nicht komplett eliminiert werden, da die Nadel sonst nicht in ihre Ausgangslage gebracht werden kann. Um die Empfindlichkeit zum Erdmagnetfeld zu steuern, wird ein Berichtigungsstab genutzt. Dieser magnetische Stab wird in Wirkrichtung des Erdmagnetfeldes unter die Nadeln gelegt. Er wirkt auf die untere Nadel, und sein Einfluss auf kann durch die Distanz zu dieser gesteuert werden.
Galvanometerkonstante Anstelle der Empfindlichkeit wird die Galvanometerkonstante als deren Kehrwert angegeben, vorzugsweise die Stromkonstante . Je nach Ausführung werden gekennzeichnet: stromempfindliche Galvanometer mit ihrer Stromkonstante; sie soll für hohe Empfindlichkeit klein sein. Je kleiner die Konstante ist, desto größer ist der Ausschlag bei gegebenem Strom. spannungsempfindliche Galvanometer mit ihrer Spannungskonstante U/α (= Stromkonstante × (innerer + erforderlicher äußerer Widerstand)). Die Anforderung an den Widerstand des äußeren Stromkreises ergibt sich aus der notwendigen Dämpfung, bei der sich das Messwerk aperiodisch einstellt. Dazu ist die Schaltung passend auszulegen. Große Spannungsempfindlichkeit erfordert auch die Anpassung des Messwerkwiderstandes an den Widerstand des Messkreises unter Berücksichtigung der richtigen Dämpfung des Messwerks.
Verwendung