गॅल्व्हानोमीटर

गॅल्व्हानोमीटर : विद्युत् प्रवाहाचे अस्तित्व दाखविण्यासाठी अथवा त्याचे मापन करण्यासाठी वापरण्यात येणारे उपकरण. विद्युत् भार आणि सूक्ष्म विद्युत् वर्चस् (विद्युत् स्थिती) यांच्या मापनासाठीही या उपकरणाचा उपयोग केला जातो. प्रख्यात इटालियन शास्त्रज्ञ  गॅल्व्हानी यांच्या स्मृत्यर्थ या उपकरणाला ‘गॅल्व्हानोमीटर’ हे नाव देण्यात आले आहे.

गॅल्व्हानोमीटराचे अनेक प्रकार आहेत. त्यांचे सर्वसाधारण दोन भाग पाडता येतील. पहिल्या प्रकारात विद्युत् प्रवाहांमुळे निर्माण होणाऱ्या चुंबकीय क्षेत्राचे मापन करण्यात येते व त्यावरून विद्युत् प्रवाहाचे मापन होऊ शकते. उदा., टँजंट (स्पर्शक) गॅल्व्हानोमीटर. दुसऱ्या प्रकारात विद्युत् प्रवाहामुळे निर्माण होणारे चुंबकीय क्षेत्र आणि स्थायी चुंबकाचे चुंबकीय क्षेत्र यांमधील प्रतिक्रियेमुळे निर्माण होणाऱ्या प्रेरणा-युग्माचे (दोन सारख्या, समांतर व परस्परविरुद्ध असणाऱ्या प्रेरणांचे) मापन केले जाते. उदा., द’ आरसांव्हाल गॅल्व्हानोमीटर. पहिल्या प्रकारच्या गॅल्व्हानोमीटराचा मुख्य फायदा म्हणजे त्यापासून विद्युत् प्रवाहाचे मूल्य निरपेक्ष एककात मिळू शकते. दुस ऱ्या प्रकारच्या गॅल्व्हानोमीटरांना इयत्तीकरणाची (प्रमाणभूत अशा साधनाशी तुलना करून मापन अंश बरोबर करून घेण्याच्या क्रियेची) आवश्यकता असते.

मापन पद्धती: सामान्यपणे गॅल्व्हानोमीटराचे विचलन (कोनीय स्थानबदल) ॲल्युमिनियमासारख्या हलक्या धातूच्या काट्याने मोजण्यात येते. परंतु विशेष संवेदनशील गॅल्व्हानोमीटराचे विचलन ‘प्रकाशशलाका व मोजपट्टी’ पद्धतीने अथवा ‘दुर्बिण व मोजपट्टी’ पद्धतीने मोजतात.

प्रकाशशलाका व मोजपट्टी पद्धत : आ. १ मध्ये दाखविल्याप्रमाणे ज्या तंतूने गॅल्व्हानोमीटरामधील वेटोळे अगरचुंबक टांगलेला असतो त्याच्या खालच्या टोकास परंतु वेटोळ्याच्या थोडा वर एक लहानसा आरसा (सपाट किंवा अंतर्वक्र) चिकटविलेला असतो. या आरशावरून परावर्तित झालेली प्रकाशशलाका एक मी. अंतरावर ठेवलेल्या मोजपट्टीवर पाडण्यात येते. आरसा जितक्या कोनातून फिरतो त्याच्या दुप्पट कोनातून परावर्तित प्रकाशशलाका फिरत असते. अशा पद्धतीने अत्यंत लहान विचलनही मोजणे शक्य होते.

दुर्बिणव मोजपट्टी पद्धत : ही पद्धत बहुतांशी वरील पद्धतीप्रमाणेच आहे. प्रकाशशलाकेऐवजी प्रतिबिंब पाडण्यात येते व उलटे आकडे असलेली मोजपट्टी वापरतात त्यामुळे दुर्बिणीत सुलटे आकडे दिसून विचलन मोजणे सोपे जाते.

गुणवत्तांक: एक दशलक्षांश अँपिअर विद्युत् प्रवाहामुळे एक मीटर अंतरावरील मोजपट्टीवर होणाऱ्या विचलनास गॅल्व्हानोमीटराचा गुणवत्तांक म्हणतात.

संवेदनशीलता : गॅल्व्हानोमीटराच्या विविध उपयोगांमुळे त्याची संवेदनशीलता मुख्यत्वेकरून चार प्रकारांत मोजतात :(१) विद्युत् प्रवाह संवेदनशीलता, (२) विद्युत् वर्चस् संवेदनशीलता, (३) विद्युत् भार संवेदनशीलता, (४) विद्युत् वर्चस् काल (अथवा चुंबकीय स्रोताची म्हणजे चुंबकीय प्रेरणा रेषांची सहलग्‍नता) संवेदनशीलता.

विद्युत् प्रवाहसंवेदनशीलता : एक मीटर अंतरावरील मोजपट्टीवर एक मिमी. विचलनासाठी लागणारा विद्युत् प्रवाह म्हणजे विद्युत् प्रवाह संवेदनशीलता होय. आधुनिक गॅल्व्हानोमीटराची विद्युत् प्रवाह  संवेदनशीलता १०^-८ ते १०^-११ अँपिअर इतकी असू शकते व अशा गॅल्व्हानोमीटराचा रोध २०० ते ८०० ओहमपर्यंत असतो. सर्वसाधारणपणे विद्युत् प्रवाह संवेदनशीलतेच्या प्रमाणात गॅल्व्हानोमीटराचा रोधही वाढत जातो.

विद्युत् वर्चस् संवेदनशीलता : एक मीटर अंतरावरील मोजपट्टीवर एक मिमी. विचलनासाठी लागणारा विद्युत् वर्चस् म्हणजे विद्युत् वर्चस् संवेदनशीलता होय. विद्युत् प्रवाह संवेदनशीलतेला मंडलातील रोधाने गुणिले असता विद्युत् वर्चस् संवेदनशीलता मिळू शकते. गॅल्व्हानोमीटराची विद्युत् वर्चस् संवेदनशीलता १०^-७ व्होल्टपर्यंत असू शकते. गॅल्व्हानोमीटराचा रोध जितका कमी तितकी त्याची विद्युत् वर्चस् संवेदनशीलता अधिक असते, परंतु मंडलातील रोधावरही विद्युत् वर्चस् संवेदनशीलता अवलंबून असते. कमाल विद्युत् वर्चस् संवेदनशीलतेसाठी गॅल्व्हानोमीटराचा रोध मंडलातील रोधाइतका असावा लागतो.

विद्युत् भार संवेदनशीलता : एक मीटर अंतरावरील मोजपट्टीवर एक मिमी. विचलनासाठी लागणारा विद्युत् भार म्हणजे विद्युत् भार संवेदनशीलता होय. अल्पकाळ वाहणाऱ्या विद्युत् प्रवाहामुळे होणारा विद्युत् भार मापण्यास गॅल्व्हानोमीटराचा उपयोग करावयाचा असल्यास त्याची विद्युत् भार संवेदनशीलता माहीत असावी लागते. विद्युत् भार मोजण्यासाठी वापरण्याच्या गॅल्व्हानोमीटराला ‘उत्क्षेपी’ (पहिल्या झटक्यास मिळालेल्या विचलन कोनावरून मापन करणारा) गॅल्व्हानोमीटर असे म्हणतात. अशा गॅल्व्हानोमीटराचे निरूढी परिबल (एखाद्या अक्षाभोवती फिरणाऱ्या वस्तूच्या कोनीय प्रवेगास होणाऱ्या त्या वस्तूच्या विरोधाचे माप) जास्त व संदमन (रोधामुळे गतीत होणारी घट) कमी असावे लागते.

विद्युत् वर्चस् काल (अथवा चुंबकीय स्रोत सहलग्‍नता) संवेदनशीलता : एक मीटर अंतरावरील मोजपट्टीवर एक मिमी. विचलनासाठी लागणा ऱ्या विद्युत् वर्चस् कालास विद्युत् वर्चस् काल संवेदनशीलता असे म्हणतात. चुंबकीय क्षेत्रातील बदलामुळे वेटोळ्यात निर्माण होणाऱ्या विद्युत् वर्चसाचे मापन करण्यासाठीही गॅल्व्हानोमीटराचा उपयोग करावयाचा असल्यास त्याची विद्युत् वर्चस् काल संवेदनशीलता माहीत असावी लागते.

संदमन : गॅल्व्हानोमीटराचा फिरणारा भाग हवेतून फिरत असल्यामुळे हवेच्या घर्षणामुळे संदमन होते, पण ते अगदी अल्प प्रमाणात असते. प्रवर्तित (चुंबकीय स्रोत बदलल्यामुळे निर्माण होणाऱ्या) विद्युत् प्रवाहामुळे होणारे संदमन अधिक महत्त्वाचे असते. संदमनामुळे विचलन मोजण्यात येणारी चूक सुधारण्यासाठी θ₁, θ₂, θ₃, … इ. प्रथम, द्वितीय, तृतीय, … अशी अर्धदोलने मोजतात. त्यावरून विचलन θ पुढील समीकरणाने काढता येते.

θ = θ₁ (1 +^λ/₂)

यातील λ पुढील समीकरणाने काढतात :

λ = ¹/₂ log ^θ₁/ _θ2

प्रकार : (१) फिरताचुंबक असलेला, (२) फिरते वेटोळे असलेला, (३) फिरत्या लोहपट्टीचा, (४) तप्त तारेचा, (५) तपयुग्म (दोन निरनिराळ्या धातूंच्या तारांचे सांधे भिन्न तापमानांत ठेवून विद्युत् दाब निर्माण करणारे साधन) असलेला.

(१) फिरता चुंबक असलेला गॅल्व्हानोमीटर : या गॅल्व्हानोमीटरामध्ये अनेक वेढे असलेल्या तारेच्या वेटोळ्याच्या मध्यभागी एक लहानसा चुंबक टांगलेला असतो. वेटोळे  चुंबकीय याम्योत्तरास (पृथ्वीच्या क्षितिजसमांतर घटकाच्या दिशेने जाणाऱ्या पृथ्वीच्या पृष्ठभागावरील रेषेस) समांतर ठेवून त्यातून विद्युत् प्रवाह सोडला असता चुंबक विचलित होतो. n वेढे व r त्रिज्या असलेल्या वेटोळ्यातून i विद्युत् प्रवाहामुळे चुंबकाचे जर θ कोनातून विचलन झाले आणि पृथ्वीच्या चुंबकीय क्षेत्राचा क्षितिज समांतर घटक जर H असेल, तर पुढील समीकरणाने विद्युत् प्रवाहाचे मूल्य काढता येते.

[tan हे त्रिकोणमितीय स्पर्शक गुणोत्तर आहे.] या समीकरणापासून विद्युत् प्रवाहाचे मूल्य निरपेक्ष अथवा विद्युत् चुंबकीय एककांत [→ एकके व परिमाणे] मिळते हे लक्षात ठेवले पाहिजे. 

ज्या गोष्टी गृहीत धरून वरील समीकरण सिद्ध केलेले आहे त्या तंतोतंत साधणे सदर प्रकारच्या गॅल्व्हानोमीटरमध्ये शक्य होत नाही. हेल्महोल्ट्स गॅल्व्हानोमीटर या नावाने (हेल्महोल्ट्स या शास्त्रज्ञांच्या नावावरून) ओळखला जाणारा सुधारलेला गॅल्व्हानोमीटर वापरला असता विद्युत् प्रवाहाचे मूल्य अधिक बरोबर मिळू शकते. या प्रकारच्या गॅल्व्हानोमीटरामध्ये दोन सारखी वर्तुळाकार वेटोळी एकाच समान अक्षावर त्यांच्या r त्रिज्येइतक्या अंतरावर बसवलेली असतात. एक लहानसा चुंबक दोन्ही वेटोळ्यांच्या अक्षमध्यावर टांगलेला असतो. वेटोळी चुंबकीय याम्योत्तरास समांतर ठेवून त्यातून जर विद्युत् प्रवाह सोडला, तर पुढील समीकरणाच्या साह्याने विद्युत् प्रवाहाचे मूल्य काढता येते.

यातील n म्हणजे प्रत्येक वेटोळ्यातील वेढे आहेत. या प्रकारच्या गॅल्व्हानोमीटरापासून विद्युत् प्रवाहाचे मूल्य निरक्षेप एककांत मिळते, हाच काय तो महत्त्वाचा फायदा आहे. परंतु त्याची संवेदनशीलता फारशी नसते. त्यामुळे सूक्ष्म विद्युत् प्रवाहमापनासाठी त्याचा उपयोग होत नाही. वरील समीकरणावरून दिसून येईल की, गॅल्व्हानोमीटराची संवेदनशीलता r आणि H कमी करून व n वाढवून वाढविता येते. या गोष्टींचा वापर ‘केल्व्हिन’ (टॉमसन) व ‘ब्रोका’ गॅल्व्हानोमीटरांमध्ये केलेला असतो.

केल्व्हिन गॅल्व्हानोमीटर :  केल्व्हिन यांनी शोधून काढलेल्या या गॅल्व्हानोमीटरात आ. २ मध्ये दाखविल्याप्रमाणे अ, अ आणि आ, आ हे चुंबक टांगलेले असतात. अ, अ चुंबकांमुळे विद्युत् प्रवाहाच्या मापनावर पृथ्वीच्या चुंबकीय क्षेत्राचा परिणाम होत नाही. आ, आ चुंबक एकमेकांच्या विरुद्ध दिशेने बसविलेले असतात. त्यामुळे गॅल्व्हानोमीटराची संवेदनशीलता वाढते. क, क या दोन पट्ट्यांमधील अंतर कमीजास्त करून गॅल्व्हानोमीटराचे संदमन बदलता येते. विद्युत् प्रवाहामुळे आ, आ चुंबकांचे विचलन परपस्परांस पोषक होईल, अशा रीतीने गुंडाळलेली तारांची दोन वेटोळी चुंबकांभोवती बसविलेली असतात. या गॅल्व्हानोमीटराची संवेदनशीलता  १०^-९ अँपिअरपर्यंत असू शकते.

ब्रोका गॅल्व्हानोमीटर :  ब्रोका यांनी शोधून काढलेल्या या गॅल्व्हानोमीटरात आ. ३ मध्ये दाखविल्याप्रमाणे दोन चुंबक दोन्ही टोकांना एकाच प्रकारचे चुंबकीय अग्र असलेले व मध्य भागी दुसऱ्या प्रकारचे चुंबकीय अग्र असलेले असे एका रेशमी धाग्याने टांगलेले असतात आणि त्यांच्या पुढील व मागील बाजूंना दोन तारांची वेटोळी बसविलेली असतात. ही वेटोळी अशा रीतीने गुंडाळलेली असतात की, त्यांतून वाहणाऱ्या विद्युत् प्रवाहामुळे एकाच दिशेला चुंबकीय क्षेत्र निर्माण होईल. केल्व्हिन गॅल्व्हानोमीटराप्रमाणेच क, क या पट्ट्यांमधील अंतर बदलून गॅल्व्हानोमीटराचे संदमन बदलता येते. फिरवता येणाऱ्या ड या दांड्यावर बसविलेल्या आ, आ या चुंबकांमुळे चुंबकीय क्षेत्राचे नियंत्रण करता येते. या प्रकारच्या गॅल्व्हानोमीटराची संवेदनशीलता १०^-१० अँपिअरपर्यंत असू शकते.

फिरता चुंबक असलेला गॅल्व्हानोमीटर विद्युत् भार मापनासाठी वापरला असता पुढील समीकरणाच्या साहाय्याने विद्युत् भाराचे मूल्य काढता येते.

या समीकरणात Q विद्युत् भार, H पृथ्वीच्या चुंबकीय क्षेत्राचा क्षितिजसमांतर भाग, T गॅल्व्हानोमीटराचा आवर्तकाल (एका दोलनास लागणारा काळ), G गॅल्व्हानोमीटराचा स्थिरांक, sin हे त्रिकोणमितीय ‘ज्या’ गुणोत्तर आणि θ विद्युत् भारामुळे होणारे प्रथम विचलन कोन दर्शवितात.

(२) फिरते वेटोळे असलेला गॅल्व्हानोमीटर : याचे मुख्यतः दोन प्रकार आहेत : (अ) द’ आरसांव्हाल गॅल्व्हानोमीटर :द’ आरसांव्हाल यांनी शोधून काढलेल्या या प्रकाराच्या गॅल्व्हानोमीटरामध्ये आरसांव्हाल चौकोनी आकाराचे एक तारेचे वेटोळे फॉस्फर काशाच्या (फॉस्फरसयुक्त ब्राँझच्या) अतिशय बारीक तंतूने एका स्थायी चुंबकाच्या क्षेत्रामध्ये टांगलेले असते. आ. ४ मध्ये व हे वेटोळे दाखविले असून त्याच्या मधोमध मृदू लोखंडाचा ल हा चित्याकृती (दंडगोलाकृती) तुकडा दाखविला आहे. स हा आरसा आहे. स्थायी चुंबकाचे क्षेत्र पुष्कळदा अरीय केलेले असते (आ. ४ आ). N वेढ असलेले व A क्षेत्रफळ असलेले वेटोळे जर H ह्या स्थानीय चुंबकीय क्षेत्रात टांगले असेल आणि i विद्युत् प्रवाहामुळे जर त्याचे θ कोनातून विचलन होत असेल, तर पुढील समीकरण वापरून विद्युत् प्रवाहाचे मूल्य काढता येते.

K हा गॅल्व्हानोमीटराचा स्थिरांक आहे. या प्रकारचे गॅल्व्हानोमीटर जरूरीप्रमाणे कमीअधिक संदमन असलेले बनविता येतात. जर संदमन कमी पाहिजे असेल, तर तारेचे वेटोळे कागदी चौकटीवर गुंडाळतात आणि जर संदमन अधिक पाहिजे असेल तर तांबे, पितळ अगर ॲल्युमिनियमाच्या पातळ पत्र्याच्या चौकटीवर वेटोळे गुंडाळतात. धातूच्या चौकटीत वेटोळ्याच्या गतीमुळे निर्माण होणाऱ्या प्रवर्तित विद्युत् प्रवाहामुळे हे संदमन होते.

(आ) विद्युत् भारमापक गॅल्व्हानोमीटर : विद्युत् भारमापनासाठी मोठे निरूढी परिबल व कमी संदमन असलेला गॅल्व्हानोमीटर उपयुक्त असतो. 

A क्षेत्रफळाचे n वेढे असलेल्या गॅल्व्हानोमीटरामधून Q विद्युत् भार वाहण्याने जर प्रथम दोलन θ कोनातून झाले, तर पुढील समीकरण वापरून विद्युत् भाराचे मूल्य काढता येते.

येथे K हा गॅल्व्हानोमीटराचा स्थिरांक, T गॅल्व्हानोमीटराचा आवर्तकाल व H स्थायी चुंबकाचे चुंबकीय क्षेत्र आहे. या समीकरणातील K, H, A आणि n स्वतंत्रपणे काढणे शक्य असले, तरी तसे करणे सोईचे नसते म्हणून T प्रथम काढतात व त्यानंतर i_० विद्युत् प्रवाहामुळे निर्माण होणारे θ_० विचलन मोजतात. यावरून पुढील समीकरणाच्या साहाय्याने विद्युत् भाराचे मूल्य काढता येते.

अशा प्रकारचे गॅल्व्हानोमीटर वापरताना ते प्रथम अनुयोजित करावे (योग्य स्थितीत आणावे) लागतात. गॅल्व्हानोमीटराची ने-आण करताना फॉस्फर काशाचा नाजूक तंतू तुटू नये म्हणून वेटोळे स्क्रूच्या साहाय्याने घट्ट बसविण्याची योजना केलेली असते. गॅल्व्हानोमीटर उपयोगात आणताना वेटोळे सैल करून ते अनिर्बंधपणे फिरते आहे, याची खात्री करून घ्यावी लागते. यासाठी पाणसळीचा (क्षितिजसमांतर पातळी दाखविणा ऱ्या साधनाचा) उपयोग करावा लागतो.

वर निर्दिष्ट केलेल्या गॅल्व्हानोमीटराचा उपयोग फक्त एकदिश विद्युत् प्रवाहाच्या मापनासाठीच करता येतो. प्रत्यावर्ती (उलट-सुलट दिशेने वाहणारा) व एकदिश अशा दोन्ही विद्युत् प्रवाहांच्या मापनासाठी गॅल्व्हानोमीटरांच्या विविध प्रकारांत निर्दिष्ट केलेले (३) पासून पुढील प्रकार उपयोगी पडतात. यांतील विचलन विद्युत् प्रवाहाच्या वर्गाच्या प्रमाणात असते.

(३) फिरती लोहपट्टी असलेले गॅल्व्हानोमीटर : (आ. ५) या प्रकारात विद्युत् प्रवाह अविचल वेटोळ्यातून वाहतो. या वेटोळ्याजवळ सर्पिल (मळसूत्राप्रमाणे असलेल्या) स्प्रिंगच्या साहाय्याने नियंत्रित केलेली एक लोहपट्टी टेकूने धरलेली असते. विद्युत् प्रवाहाने निर्माण झालेल्या चुंबकीय क्षेत्रामुळे पट्टीचे होणारे आकर्षण काट्याच्या साहाय्याने दाखविले जाते. यातील दुसऱ्या प्रकारात (आ. ६) एका अविचल वेटोळ्यात आ ही लोहपट्टी बसविलेली असते. दुसरी अ ही लोहपट्टी सर्पिल स्प्रिंगने नियंत्रित केलेल्या काट्याला जोडलेली असते. वेटोळ्यातील विद्युत् प्रवाहामुळे अ व आ या लोहपट्ट्या एकाच प्रकारे चुंबकीय होऊन त्यांतील प्रतिसारणामुळे काटा फिरतो.

(४) तप्त तारेचा गॅल्व्हानोमीटर : रर’ या विद्युत् रोधक तारेतून वाहणाऱ्या विद्युत् प्रवाहामुळे ती तार तापून तिची लांबी वाढते (आ. ७) आ या स्प्रिंगच्या साहाय्याने ताणलेला तंतू त हा अ या अक्षदंडावर गुंडाळलेला असतो आणि या अक्षदंडाला काटा जोडलेला असतो. तारेची लांबी वाढल्यामुळे स्प्रिंगने ताणलेला तंतू ओढला जाऊन अक्षदंड व त्याचबरोबर काटाही फिरतो. अशा प्रकारचे गॅल्व्हानोमीटर फारसे संवेदनशील नसतात.

(५) तपयुग्म गॅल्व्हानोमीटर : यात चांदीच्या तारेचा एकच वेढा असलेल्या वेटोळ्याच्या खालच्या बाजूला अँटिमनी व बिस्मथ धातूंचे तपयुग्म जोडलेले असते. हे वेटोळे फॉस्फर काशाच्या नाजूक तंतूने स्थायी चुंबकाच्या क्षेत्रात टांगलेले असते. मापावयाचा विद्युत् प्रवाह तपयुग्माच्या खाली असलेल्या बारीक तारेतून सोडतात. विद्युत् प्रवाहामुळे ही तार व त्याचबरोबर तपयुग्मही तापते. तपयुग्माच्या तापण्यामुळे विद्युत् प्रवाह निर्माण होऊन वेटोळे फिरते.

सुवाह्यगॅल्व्हानोमीटर : वर वर्णन केलेले सर्वच गॅल्व्हानोमीटर ने-आण करण्यास सोईचे नसतात. ते फार काळजीपूर्वक आणि जपून हाताळावे लागतात. सुवाह्य गॅल्व्हानोमीटर बहुधा फिरता चुंबक असलेले, फिरते वेटोळे असलेले अगर फिरती लोहपट्टी असलेले असतात. यातील चुंबक, वेटोळे अथवा लोहपट्टी टेकूवर बसविलेले असतात. चांगल्या प्रतीच्या गॅल्व्हानोमीटरांमध्ये घर्षण कमी करण्यासाठी कृत्रिम माणकाचे धारवे (फिरता दंड बरोबर स्थितीत राहण्यासाठी वापरण्यात येणारे आधार, बेअरिंग) वापरतात. अशा प्रकारच्या गॅल्व्हानोमीटरामधील विचलन सर्पिल स्प्रिंगच्या साहाय्याने नियंत्रित केलेले असते. ॲल्युमिनियमासारख्या हलक्या धातूच्या काट्याने ते मोजण्यात येते.

संदर्भ : 1. Alexander, W. Electrical Instruments and Measurements, London, 1962.

           2. Golding, E. W. Electrical Measurements and Measuring Instruments, London, 1962.

सुर्वे, बा. गो.

“