مقياس غلفاني مرآة

الجلفانومتر المرآوي هو مقياس أمبير يُشير إلى استشعاره للتيار الكهربائي عن طريق عكس شعاع ضوئي بواسطة مرآة . يعمل شعاع الضوء المُسقط على مقياس كمؤشر طويل عديم الكتلة. في عام 1826، طوّر يوهان كريستيان بوغندورف الجلفانومتر المرآوي للكشف عن التيارات الكهربائية. يُعرف الجهاز أيضًا باسم الجلفانومتر النقطي نسبةً إلى البقعة الضوئية التي يُنتجها في بعض النماذج.

استُخدمت مقاييس الغلفانومتر المرآة على نطاق واسع في الأجهزة العلمية قبل توفر مضخمات إلكترونية موثوقة ومستقرة . وكان استخدامها الأكثر شيوعًا كأجهزة تسجيل لأجهزة قياس الزلازل وكابلات الغواصات المستخدمة في التلغراف.

في العصر الحديث، يُستخدم مصطلح "الجلفانومتر المرآوي" أيضاً للإشارة إلى الأجهزة التي تُحرّك أشعة الليزر عن طريق تدوير مرآة داخل نظام جلفانومتر، وغالباً ما يكون ذلك باستخدام حلقة تحكم شبيهة بنظام المؤازرة . ويُختصر الاسم عادةً إلى "جلفو" .

طُوِّرَ مقياس الجلفانومتر المرآوي بشكلٍ ملحوظ على يد ويليام طومسون ، الذي أصبح فيما بعد اللورد كلفن. وقد صاغ مصطلح " مقياس الجلفانومتر المرآوي" وحصل على براءة اختراع للجهاز عام 1858. كان طومسون يهدف من خلال هذا الجهاز إلى قراءة تيارات الإشارة الضعيفة على كابلات التلغراف البحرية الطويلة جدًا . ^{[ 1 ]} كان هذا الجهاز أكثر حساسية بكثير من أي جهاز سبقه، مما مكّنه من الكشف عن أدنى عيب في قلب الكابل أثناء تصنيعه وغمره.

قرر طومسون أنه بحاجة إلى جهاز بالغ الحساسية بعد مشاركته في المحاولة الفاشلة لمدّ كابل تلغراف عبر المحيط الأطلسي عام 1857. وعمل على الجهاز أثناء انتظاره لرحلة استكشافية جديدة في العام التالي. بدأ بدراسة تحسين جلفانومتر استخدمه هيرمان فون هيلمهولتز لقياس سرعة الإشارات العصبية عام 1849. كان جلفانومتر هيلمهولتز مزودًا بمرآة مثبتة على إبرة متحركة، تُستخدم لإسقاط شعاع ضوئي على الجدار المقابل، مما يُضخّم الإشارة بشكل كبير. كان طومسون ينوي زيادة حساسية الجهاز بتقليل كتلة الأجزاء المتحركة، لكن في لحظة إلهام، بينما كان يراقب الضوء المنعكس من عدسته الأحادية المعلقة حول عنقه، أدرك أنه يستطيع الاستغناء عن الإبرة وحاملها تمامًا. فاستخدم بدلًا من ذلك قطعة صغيرة من الزجاج العاكس مع قطعة صغيرة من الفولاذ الممغنط ملصقة على ظهرها. وعلقت هذه القطعة بخيط في المجال المغناطيسي لملف الاستشعار الثابت. في عجلة من أمره لتجربة الفكرة، استخدم تومسون في البداية شعرة من كلبه، لكنه استخدم لاحقًا خيطًا حريريًا من فستان ابنة أخته أغنيس. ^{[ 1 ]}

ما يلي مقتبس من وصف معاصر لآلة تومسون: ^{[ 2 ]}

يتكون الجلفانومتر المرآوي من ملف طويل رفيع من سلك نحاسي مغطى بالحرير. في قلب هذا الملف، داخل حجرة هوائية صغيرة، تُعلق مرآة دائرية صغيرة بواسطة خيط حريري رفيع، مثبتة على ظهرها أربعة مغناطيسات صغيرة. يُسلط شعاع ضوئي من مصباح على المرآة، فينعكس منها على شاشة بيضاء أو مقياس على بُعد أقدام قليلة، حيث يُشكل بقعة ضوئية ساطعة. عندما لا يمر تيار كهربائي في الجهاز، تبقى البقعة الضوئية ثابتة عند موضع الصفر على الشاشة؛ ولكن بمجرد مرور تيار كهربائي عبر السلك الطويل للملف، تلتف المغناطيسات المعلقة أفقيًا عن موضعها السابق، وتميل المرآة معها، وينحرف شعاع الضوء على طول الشاشة إلى أحد الجانبين، وفقًا لطبيعة التيار. إذا تسبب تيار كهربائي موجب في انحراف إلى يمين الصفر، فإن التيار السالب سيتسبب في انحراف إلى يسار الصفر، والعكس صحيح.

يُضغط الهواء في الحجرة الصغيرة المحيطة بالمرآة حسب الحاجة، ليعمل كوسادة ويُخفف من حركاتها. وبذلك، يُمنع المؤشر من التأرجح بلا هدف عند كل انحراف، وتُصبح الإشارات المنفصلة حادة. في محطة الاستقبال، يمر التيار القادم من الكابل عبر الملف قبل إرساله إلى الأرض، وتمثل بقعة الضوء المتغيرة على الشاشة بدقة جميع تغيراته للموظف، الذي يُفسرها وينطق بالرسالة كلمة كلمة. إن الوزن الخفيف للمرآة والمغناطيسات التي تُشكل الجزء المتحرك من هذا الجهاز، والمدى الذي يُمكن فيه تكبير الحركات الدقيقة للمرآة على الشاشة بواسطة شعاع الضوء المنعكس، الذي يعمل كيد أو مؤشر طويل غير محسوس، يجعل الجلفانومتر المرآوي حساسًا بشكل مذهل للتيار، خاصةً عند مقارنته بأنواع أخرى من أجهزة الاستقبال. كان من الممكن إرسال الرسائل من المملكة المتحدة إلى الولايات المتحدة عبر كابل أطلسي واحد والعودة مرة أخرى عبر كابل آخر، واستقبالها هناك على مقياس الجلفانومتر المرآوي، وكان التيار الكهربائي المستخدم هو ذلك الناتج عن بطارية لعبة مصنوعة من كشتبان فضي نسائي، وحبة من الزنك، وقطرة من الماء المحمض.

تكمن الميزة العملية لهذه الدقة المتناهية في أن موجات الإشارة للتيار قد تتبع بعضها البعض بدقة متناهية حتى تكاد تندمج تمامًا، تاركةً ارتفاعًا وانخفاضًا طفيفًا جدًا في قممها، كتموجات على سطح مجرى مائي، ومع ذلك، ستستجيب بقعة الضوء لكل منها. سيؤدي التدفق الرئيسي للتيار بالطبع إلى تغيير موضع الصفر للبقعة، ولكن بالإضافة إلى هذا التغيير في الموضع، ستتبع البقعة التقلبات اللحظية للتيار التي تُشكل الإشارات الفردية للرسالة. مع هذا التغيير في موضع الصفر والارتفاع والانخفاض الطفيف جدًا في التيار الناتج عن الإشارات السريعة، تصبح أجهزة الخطوط الأرضية العادية غير صالحة تمامًا للعمل على الكابلات الطويلة.

طُوِّرَ الجلفانومتر ذو الملف المتحرك بشكل مستقل من قِبَل مارسيل ديبريز وجاك أرسين دارسونفال حوالي عام 1880. صُمِّمَ جلفانومتر ديبريز لقياس التيارات العالية، بينما صُمِّمَ جلفانومتر دارسونفال لقياس التيارات الضعيفة. على عكس جلفانومتر كلفن، يكون المغناطيس في هذا النوع من الجلفانومتر ثابتًا، بينما يكون الملف معلقًا في فجوة المغناطيس. تدور المرآة المُثبَّتة على إطار الملف معه. يتميز هذا النوع من الأجهزة بحساسية ودقة أعلى، وقد حلَّ محل جلفانومتر كلفن في معظم التطبيقات. يُعد الجلفانومتر ذو الملف المتحرك عمليًا محصنًا ضد المجالات المغناطيسية المحيطة. ومن ميزاته المهمة الأخرى التخميد الذاتي الناتج عن القوى الكهرومغناطيسية بسبب التيارات المُستحثة في الملف نتيجة حركته في المجال المغناطيسي. وتتناسب هذه التيارات طرديًا مع السرعة الزاوية للملف.

في العصر الحديث، تُستخدم جلفانومترات المرايا عالية السرعة في عروض الليزر الضوئية لتحريك أشعة الليزر وإنتاج أنماط هندسية ملونة في الضباب المحيط بالجمهور. وقد أثبتت هذه الجلفانومترات أهميتها البالغة في الصناعة لأنظمة الوسم بالليزر ، بدءًا من حفر الأدوات اليدوية والحاويات والأجزاء بالليزر، وصولًا إلى ترميز رقائق أشباه الموصلات في تصنيع أجهزة أشباه الموصلات . وتتحكم هذه الجلفانومترات عادةً في اتجاهي X وY على علامات ليزر Nd:YAG و CO2 للتحكم في موضع بقعة ليزر الأشعة تحت الحمراء. وتُعدّ عمليات الاستئصال بالليزر ، وتشكيل شعاع الليزر، _وتقطيع الرقائق من المجالات الصناعية التي تُستخدم فيها جلفانومترات المرايا عالية السرعة.

يستخدم هذا الجلفانومتر ذو الملف المتحرك بشكل أساسي لقياس التيارات الضعيفة جدًا أو المنخفضة من رتبة 10−9 ^أمبير  .

لتحقيق خطية المجال المغناطيسي عبر الملف طوال نطاق حركة الجلفانومتر، يتم وضع تصميم دارسونفال لأسطوانة من الحديد المطاوع داخل الملف دون ملامسته. وهذا يُنتج مجالًا شعاعيًا ثابتًا، بدلًا من مجال خطي متوازٍ.

• مقياس غلفاني خيطي

• "مقياس غلفانومتر مارسيل ديبريز للتيارات القوية" . مجلة نيتشر . 22 (559): 246-247 . 15 يوليو 1880. Bibcode : 1880Natur..22R.246. doi : 10.1038 /022246b0 .

• مقياس غلفاني مرآة - برنامج تعليمي تفاعلي بلغة جافا - المختبر الوطني للمجالات المغناطيسية العالية