Galvanometer

Drehspulinstrument

Unter dem Begriff Galvanometer versteht man Strommessgeräte mit hoher und höchster Empfindlichkeit. Prinzipiell handelt es sich um Drehspulmesswerke besonderer Bauart, die entweder für sich oder als Bestandteil von Messeinrichtungen (Messbrücke, Kompensator usw.) dem Nachweis kleiner Ströme (und Spannungen) dienen.

Im Gegensatz zu normalen Drehspulmesswerken ist die Spule nicht auf einen Aluminiumrahmen gewickelt, dadurch entfällt die Dämpfung durch Wirbelstrom. Die Spule wird entweder auf einen nichtmetallischen Träger gewickelt oder wird freitragend vergossen oder verbacken ausgeführt. Galvanometer haben meist den Nullpunkt in der Mitte der Skala und sind oft nicht geeicht. Da Galvanometer oft als Nullindikatoren - d. h. für die Aussage kein Strom bzw. keine Spannung - eingesetzt werden, kann auf die Eichung verzichtet werden.

Prinzipien

Nach der Art der Ablesung können unterschieden werden:

Zeigergalvanometer sind aufgebaut wie im Bild gezeigt, d. h. an der Drehspule ist ein Zeiger angebracht.
Beim Spiegelgalvanometer wird an Stelle des Zeigers ein kleiner Spiegel an der Drehspule angebracht. Eine von einer Projektionslampe erzeugte Strichmarke wird auf den Spiegel projiziert und von diesem auf eine getrennt vom Galvanometer aufgestellte Skala reflektiert. Spiegelgalvanometer können sehr empfindlich ausgelegt werden, da der masselose Lichtzeiger, entsprechend lichtstarke Projektionslampen vorausgesetzt, nahezu beliebig lang gemacht werden kann. Nachteilig ist, dass es sich um drei getrennte Komponenten handelt die aufeinander eingerichtet und justiert sein müssen, was praktisch nur unter Laborbedingungen möglich ist.
Das Lichtmarkengalvanometer vermeidet diesen Nachteil indem die drei Teile eines Spiegelgalvanometers, Messwerk, Skala und Lampe mit Optik in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden. Allerdings ist die Länge des Lichtzeigers durch die Größe des Gehäuses begrenzt.

Nach der Art der Lagerung werden unterschieden:

Galvanometer mit Spitzenlagerung. Die Drehspule hat eine Achse mit Stahlspitzen die in gefederten Edelsteinen gelagert sind. Die Stromzuführung zur Drehspule geschieht über zwei Spiralfedern die auch der Rückstellung des Zeigers auf Nullposition dienen.
Galvanometer mit Spannbandlagerung haben anstatt einer Achse zwei Metallbänder die federnd gespannt sind. Die Bänder dienen der Stromzuführung zur Drehspule und deren Torsionskraft als Rückstellkraft.
Galvanometer mit Bandaufhängung haben ebenfalls zwei Metallbänder zur Stromzuführung. Die Drehspule ist an einem der Bändchen senkrecht aufgehängt, dessen geringe Torsionskraft 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.

Nach der Galvanometer-Konstanten werden unterschieden:

Stromempfindliche Galvanometer mit kleiner Stromkonstante. Die Stromkonstante gibt an, welcher Strom eine bestimmte Drehung der Drehspule hervorruft.
Spannungsempfindliche Galvanometer mit kleiner Spannungskonstante. Um die Spannungskonstante klein zu machen, muss der innere Widerstand des Messwerks möglichst klein sein. Spannungsempfindliche Galvanometer haben deshalb einen kleineren Innenwiderstand als stromempfindliche Galvanometer gleichen Messwerkaufbaus.

Erweiterungen des Messbereichs bei geeichten Instrumenten sind natürlich mit den in Strommesser und Voltmeter angegebenen Schaltungen und Berechnungen möglich.

Praktische Ausführungen

Bedingt durch die Anwendung als Nullindikator oder zum Nachweis kleinster Ströme ist bei Galvanometern die maximale Auflösung, das heißt der kleinste Messwert der noch sichtbar gemacht werden kann, die bestimmende Größe.

Zeigergalvanometer mit Spitzenlagerung sind robuste Betriebsmessgeräte deren maximale Auflösung im Bereich von ein µAmpere (10^-6 A) liegt.
Zeigergalvanometer mit Spannbandlagerung können, bedingt durch den Wegfall der Lagerreibung, eine Auflösung von 10^-8 A erreichen. Sie sind jedoch stoßempfindlicher als Geräte mit Spitzenlagerung.
Lichtmarkengalvanometer mit Spannbandlagerung erreichten je nach Ausführung der Spannbänder Auflösungen um 10^-9 A, werden jedoch nicht mehr hergestellt.
Spiegelgalvanometer mit Spannbandlagerung erreichten einfach durch ihren längeren Zeiger Auflösungen von unter 10^-10 A, werden aber auch nicht mehr hergestellt.
Spiegelgalvanometer mit Bandaufhängung erreichen Auflösungen kleiner als 10^-12 A. Das sind Laborgeräte aus handwerklicher Einzelfertigung, die mit größter Sorgfalt zu behandeln sind. Sie müssen auf absolut stoßsicherer Unterlage aufgestellt werden. Die Drehspule muss senkrecht hängen; dazu sind die Gehäuse mit Stellschrauben und Wasserwaagen versehen. Vor jeder Lageänderung ist das Bändchen zu entlasten und die Drehspule zu arretieren. Wenn dann noch magnetische Fremdfelder ferngehalten werden, sind diese Instrumente besser als heute (2005) verfügbare elektronische Messeinrichtungen die im Bereich solch kleiner Ströme erhebliche Probleme mit physikalischen Störgrößen wie Rauschen, Leckströme und Temperaturabhängigkeit haben.

Wie viele andere analog anzeigende Instrumente sind Galvanometer weitgehend von digitalen Geräten abgelöst worden. Geblieben sind wenige Nischenanwendungen als Nullindikator mit schnell erfassbarer Trendanzeige oder der Nachweis kleinster Ströme im Forschungsbereich.