검류계
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1. 개요
검류계는 전류의 흐름을 감지하고 측정하는 데 사용되는 장치이다. 1820년 한스 크리스티안 외르스테드의 실험을 통해 전류와 자기장 간의 관계가 밝혀진 이후, 다양한 형태의 검류계가 개발되었다. 초기에는 나침반 바늘의 움직임을 이용하거나, 거울을 사용하여 빛의 빔을 증폭하는 방식이 사용되었으며, 다르송발과 웨스턴에 의해 휴대용 가동 코일 검류계가 개발되어 널리 사용되었다. 현대에는 레이저 스캐닝, 하드 디스크 드라이브의 헤드 위치 제어 등 위치 제어 시스템에 주로 활용된다.
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| 검류계 | |
|---|---|
| 지도 | |
| 기본 정보 | |
| 종류 | 전류 측정 장치 |
| 측정 | 전류 전압 |
| 단위 | 암페어 |
| 발명자 | 요한 슈바이크 |
| 발명 시기 | 1820년 |
| 상세 정보 | |
| 원리 | 전자기력 |
| 구조 | 코일과 자석 |
| 작동 방식 | 코일에 전류가 흐르면 자기장이 발생하고, 자석과의 상호 작용으로 바늘이 움직임 |
| 용도 | 전류 및 전압 측정 회로의 작동 여부 확인 전류계 및 전압계의 핵심 부품 브리지 회로의 평형점 검출 |
| 역사 | |
| 개발 초기 | 한스 크리스티안 외르스테드의 전자기 발견 이후 개발됨 앙드레마리 앙페르의 전자기력 발견으로 성능 향상됨 |
| 발전 과정 | 제임스 앤드루스의 정교한 검류계 개발 윌리엄 톰슨 (켈빈 남작)의 거울 검류계 개발 데프레의 더 정밀한 검류계 개발 |
| 유형 | |
| 가동 코일형 | 영구 자석 사이에 코일이 회전 전류에 비례하는 바늘 움직임 |
| 가동 자석형 | 코일 주위의 자석이 움직임 토크를 증가시켜 감도를 높임 |
| 열전형 | 열전대를 사용하여 작은 전류 측정 고주파 전류 측정에 사용 |
| 진동형 | 전류계를 이용하여 교류 측정 교류 측정 |
| 현형 | 가늘고 긴 줄에 전류를 흘려 자기장으로 진동 섬세한 전류 측정에 사용 |
| 탄젠트형 | 지구 자기장을 이용한 측정 초기 전류 측정에 사용 |
| 응용 | |
| 전기 측정 | 전압계, 전류계 등에 활용 |
| 실험 장치 | 전류계의 기본 구조 전압계의 기본 구조 |
| 통신 | 초기 전신 시스템에 사용 전신 |
2. 역사
검류계(galvanometer)라는 이름은 이탈리아의 과학자 루이지 갈바니의 이름에서 유래했다. 갈바니가 만든 개구리 다리 검류계는 초기 전기학 연구에 활용되었다. 최초의 현대적인 검류계는 1820년 9월 16일 독일 할레 대학교의 요한 슈바이거가 발명했으며, 프랑스의 앙드레-마리 앙페르 역시 검류계 발전에 기여했다. 영국의 윌리엄 톰슨(켈빈 경)은 검류계 발명 초기에 이를 응용하는 데 중요한 업적을 남겼다.
2. 1. 초기 발견
전류가 흐르는 전선 주위에서 나침반 바늘이 움직이는 현상은 1820년 한스 크리스티안 외르스테드가 처음으로 발견하고 설명했다. 이 발견은 단순히 흥미로운 현상으로만 그치지 않고, 전류를 측정하는 방법을 연구하는 계기가 되었다.검류계(galvanometer)라는 이름은 이탈리아의 과학자 루이지 갈바니의 이름에서 따왔다. 갈바니는 개구리 다리를 이용한 검류계를 만들어 초기 전기학 연구에 사용하기도 했다.
최초의 검류계는 외르스테드의 발견 직후인 1820년 9월 16일, 독일 할레 대학교의 요한 슈바이거가 발명했다. 프랑스의 앙드레-마리 앙페르 역시 검류계 발전에 중요한 기여를 했다. 또한, 윌리엄 톰슨(켈빈 경)은 검류계가 발명된 초기에 이를 응용하는 데 많은 업적을 남겼다.
2. 2. 슈바이거와 앙페르
최초의 검류계는 1820년 9월 16일 할레 대학교의 요한 슈바이거(Johann Salomo Christoph Schweigger)가 발표했다. 앙드레 마리 앙페르(André-Marie Ampère)도 검류계 개발에 기여했다.[2] 초기 설계는 전류에 의해 생성되는 자기장의 효과를 키우기 위해 전선(와이어)을 여러 번 감는 방식을 사용했다. 이러한 일반적인 설계 특징 때문에 이 기구는 처음에는 "승압기(multiplierseng)"라고 불렸다.[2]2. 3. 포겐도르프와 톰슨
초기 거울 검류계는 1826년 요한 크리스티안 포겐도르프에 의해 발명되었다. 이후 1849년 헤르만 폰 헬름홀츠가 무정위 검류계를 발명하였고, 이 장치를 더욱 민감하게 개선한 톰슨 ''거울 검류계''는 1858년 윌리엄 톰슨(켈빈 경)에 의해 특허를 받았다.[3] 톰슨의 설계는 매우 빠른 전류 변화를 감지할 수 있었는데, 이는 가벼운 거울에 부착된 작은 자석을 실로 매달아 나침반 바늘 대신 사용했기 때문이다. 거울에 빛을 비추어 반사된 광선의 움직임을 관찰하면, 작은 전류에 의해 자석이 미세하게 움직이는 편향을 크게 증폭하여 볼 수 있었다. 또는 현미경을 사용하여 매달린 자석의 편향을 직접 관찰하는 방법도 사용되었다.
2. 4. 게오르크 옴
전압과 전류를 정량적으로 측정할 수 있게 되면서 게오르크 옴Georg Ohm|게오르크 옴de은 1827년에 옴의 법칙을 공식화하였다. 이 법칙은 도체 양단의 전압은 그 도체를 통과하는 전류에 정비례한다는 내용을 담고 있다.2. 5. 다르송발과 데프레즈
초기의 가동 자석형 검류계는 주변의 자석이나 철 조각의 영향을 받기 쉽고, 바늘의 움직임이 전류의 크기에 정확히 비례하지 않는 단점이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 1882년 자크 아르센 다르송발과 마르셀 데프레즈는 새로운 형태의 검류계를 개발했다. 이 검류계는 고정된 영구 자석과 그 사이에서 움직이는 코일(가동 코일)을 사용하는 방식이었다.
가동 코일은 아주 가는 철사에 매달려 있는데, 이 철사는 코일에 전류를 공급하는 전기적 연결 통로 역할을 함과 동시에 코일이 원래의 영점 위치로 돌아가도록 하는 복원력을 제공한다. 자석의 양 극 사이에는 철로 만든 원통형 관이 있어 코일이 회전할 수 있는 원형의 공간(간극)을 만든다. 이 공간에는 코일 전체에 걸쳐 일정하고 방사형으로 퍼지는 자기장이 형성되어, 측정 범위 내에서 전류의 크기와 코일의 회전 각도가 비례하는 선형적인 응답을 가능하게 한다. 코일에는 작은 거울이 부착되어 있어, 빛을 반사시켜 코일의 미세한 움직임을 확대하여 측정값을 읽을 수 있도록 돕는다.
이처럼 집중된 자기장과 섬세한 현수 장치 덕분에 다르송발-데프레즈 검류계는 매우 민감하게 전류를 감지할 수 있었다. 다르송발이 초기에 제작한 기기는 10 마이크로암페어 수준의 미세한 전류까지 감지할 수 있었다.[4]
2. 6. 에드워드 웨스턴
에드워드 웨스턴(Edward Weston)은 검류계 설계를 크게 개선했다. 그는 가는 철사 현수장치를 피벗(pivot)으로 대체하고, 시계의 밸런스 휠 헤어스프링 대신 나선형 용수철을 통해 복원 토크와 전기적 연결을 제공했다. 또한 영구 자석의 자기장을 안정화하는 방법을 개발하여 장비가 시간이 지나도 일관된 정확도를 유지하도록 했다.
그는 빛의 빔과 거울을 직접 읽을 수 있는 칼날 모양의 지침으로 교체했다. 지침과 같은 평면에 있는 거울은 시차 관찰 오차를 제거했다. 자기장 강도를 유지하기 위해, 웨스턴의 설계는 코일이 움직이는 매우 좁은 원주형 슬롯을 사용하여 최소한의 공극을 만들었다. 이것은 코일 전류에 대한 지침 편향의 선형성을 향상시켰다. 마지막으로, 코일은 감쇠기 역할을 하는 전도성 금속으로 만들어진 가벼운 틀에 감았다.
1888년, 에드워드 웨스턴은 이 장비의 상업적 형태를 특허받고 출시했으며, 이는 표준 전기 장비 구성 요소가 되었다. 장착 위치나 장소 이동에 거의 영향을 받지 않았기 때문에 "휴대용" 장비로 알려졌다. 이 설계는 오늘날 이동 코일 미터에서 거의 보편적으로 사용된다.
2. 7. 텐션 밴드형 계기
텐션 밴드형 계기는 다르송발-웨스턴형 계기의 현대적인 발전 형태이다. 이 방식은 기존의 보석 베어링과 헤어스프링 대신, 장력이 걸린 미세한 금속 조각을 사용한다. 이러한 구조 덕분에 계기는 현장 사용에 더욱 견고하다는 장점이 있다.[5][6]3. 작동 원리
현대의 주요 검류계 형태인 다르송발/웨스턴(D'Arsonval/Weston)형 검류계는 영구 자석의 자기장 안에 놓인 작은 회전 코일(스핀들)로 구성된다. 이 코일에는 눈금이 새겨진 눈금판 위를 움직이는 가는 지침이 연결되어 있다. 작은 비틀림 스프링은 코일과 지침을 평상시 0의 위치로 되돌리는 역할을 한다.
직류(DC) 전류가 코일을 통해 흐르면, 로렌츠 힘의 원리에 따라 코일 자체에서 자기장이 발생한다. 이 자기장은 영구 자석의 자기장과 상호작용하여 코일을 회전시키는 힘(토크)을 만들어낸다. 코일이 회전하면서 비틀림 스프링에 대항하는 힘이 작용하고, 코일에 연결된 지침이 움직여 눈금판 위의 특정 값을 가리키게 된다. 자석의 극편은 자기장이 코일이 움직이는 범위 내에서 균일하게 분포되도록 신중하게 설계되어, 지침이 돌아가는 각도가 코일에 흐르는 전류의 크기에 정비례하도록 만든다. 일반적으로 검류계 내부에는 움직이는 코일과 지침의 기계적인 진동을 빠르게 줄여주는 감쇠 장치가 포함되어 있어, 지침이 흔들리지 않고 측정값에 빠르게 안정될 수 있도록 돕는다. 이러한 감쇠 방식 중 하나로 전자기 제동이 사용된다. 제동력이 부족하면 지침이 진동하고(부족제동), 너무 강하면 움직임이 둔해진다(과제동). 적절한 제동력으로 지침이 부드럽게 움직이는 상태를 임계제동이라 한다.
검류계의 기본적인 감도는 예를 들어, 눈금 전체가 움직이는 데 100마이크로암페어(μA)의 전류가 필요한 수준일 수 있다. 이때 코일 양단의 전압 강하는 약 50밀리볼트(mV) 정도이다. 이러한 검류계는 눈금을 조정하여 전류 외에 다른 물리량(전압, 저항 등)을 측정하는 데에도 사용된다. 측정하려는 전류의 크기가 검류계의 기본 측정 범위를 초과할 경우, 션트(Shunt)라고 불리는 전류 분배기를 사용하여 더 큰 전류를 측정할 수 있도록 눈금을 조정한다. 코일의 저항값을 알고 있다면, 옴의 법칙에 따라 최대 눈금 전류를 흘리는 데 필요한 전압을 계산하여 검류계를 직류 전압계로 사용할 수도 있다. 전압 분배기 회로(보통 검류계 코일과 직렬로 저항을 연결)를 이용하여 다양한 범위의 전압을 측정하도록 구성할 수도 있다. 또한, 알려진 전압(예: 배터리)과 조정 가능한 저항을 검류계와 직렬로 연결하여 저항값을 측정하는 데 사용할 수도 있다. 먼저 저항값을 아는 표준 저항을 연결하고 가변 저항을 조정하여 지침이 최대 눈금을 가리키도록 설정한 뒤, 측정하려는 미지의 저항을 연결하면 전류량이 변하여 지침이 움직인다. 이때 지침이 가리키는 값을 미리 저항값으로 보정된 눈금에서 읽으면 저항값을 알 수 있다. 이처럼 다양한 전기적 신호를 지침의 움직임으로 변환하는 능력 덕분에, 검류계는 여러 종류의 센서에서 나오는 전기 신호를 사람이 읽을 수 있는 형태로 표시하는 데 유용하게 사용된다.
검류계의 지침은 눈금판보다 약간 위에 위치하기 때문에, 읽는 사람의 시야 각도에 따라 눈금값이 달라 보이는 시차 오류가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 일부 정밀한 검류계에는 눈금판 위에 거울이 함께 부착되어 있다. 측정 시, 지침의 끝과 거울에 비친 지침의 모습이 일직선으로 겹쳐 보이도록 시선의 위치를 조절하면 시차로 인한 오차를 최소화할 수 있다.
초기의 가동 자석형 검류계는 주변의 자석이나 철 물체에 영향을 받고 전류와 지침의 움직임이 정비례하지 않는 단점이 있었다. 1882년 자크 아르센 다르송발(Jacques-Arsène d'Arsonval)과 마르셀 데프레즈(Marcel Deprez)는 고정된 영구 자석과 움직이는 코일을 사용하는 새로운 형태를 개발했다. 이 방식에서는 가는 금속선으로 코일을 매달아 전기적 연결을 제공하고 원래 위치로 돌아오게 하는 복원력을 얻었다. 자석 극 사이에 원통형 철심을 넣어 코일이 회전하는 공간을 만들고, 이 공간에 균일한 방사형 자기장이 형성되도록 하여 측정 범위 전체에서 전류와 지침의 움직임이 비례하도록 만들었다. 코일에 부착된 작은 거울에 빛을 비춰 반사된 빛의 위치 변화로 코일의 회전 각도를 정밀하게 측정했다. 이 방식은 매우 민감하여 다르송발의 초기 기기는 10마이크로암페어 수준의 미세한 전류도 감지할 수 있었다.[4]
이후 에드워드 웨스턴(Edward Weston)은 다르송발의 설계를 크게 개선했다. 그는 가는 금속선 대신 피벗(pivot)으로 코일을 지지하고, 시계의 밸런스 휠에 사용되는 헤어스프링과 유사한 나선형 용수철을 사용하여 복원력과 전기적 연결을 동시에 제공했다. 또한 영구 자석의 자기력을 안정화시켜 시간이 지나도 측정의 정확도가 유지되도록 했으며, 거울과 광선 대신 직접 눈금을 읽을 수 있는 지침 방식으로 바꾸었다. 지침과 같은 면에 거울을 배치하여 시차 오류를 제거하는 방법도 도입했다. 자기장의 세기를 높이고 균일하게 만들기 위해 코일이 회전하는 공간(공극)을 매우 좁게 설계하여 전류에 대한 지침 움직임의 선형성을 더욱 향상시켰다. 마지막으로, 코일을 가볍고 전기 전도성이 좋은 금속 틀에 감아 코일의 움직임을 빠르게 안정시키는 감쇠 효과를 얻었다. 1888년 웨스턴은 이러한 개선 사항을 적용한 검류계를 상업적으로 출시했고, 이는 이후 이동 코일형 계기의 표준적인 형태가 되었다. 이 설계는 설치 위치나 이동에 거의 영향을 받지 않아 '휴대용' 계기로 널리 사용되었다.
초기 검류계는 지구 자기장을 이용하는 등 실험실 환경에 국한된 장비였으나, 기술 발전을 거치며 작고 견고하며 민감한 휴대용 장비로 발전하여 전기 기술 발전에 필수적인 역할을 하게 되었다.
4. 종류
검류계는 작동 방식과 감도에 따라 여러 종류로 나눌 수 있다. 크게 보면, 눈금 위의 지침을 움직여 전류의 크기나 유무를 직접 보여주는 방식과, 매우 작은 전류를 감지하기 위해 거울과 빛을 이용하는 고감도 방식으로 구분된다.[7]
고감도 검류계의 대표적인 예로는 거울 검류계가 있다. 이 방식은 작은 거울에 빛을 반사시켜 그 반사광의 움직임을 통해 전류를 측정하는데, 빛의 경로가 길어지면서 마치 매우 긴 지침처럼 작동하여 미세한 전류 변화도 크게 증폭시켜 볼 수 있다. 이러한 높은 민감도 덕분에 과거 대서양을 횡단하는 해저 전신 통신 시스템에서 미약한 신호를 감지하는 수신기로 활용되기도 했다.[7]
또한, 검류계의 움직이는 메커니즘은 전류의 변화를 기록하는 장치에도 응용되었다. 예를 들어, 시간에 따른 전류 변화를 종이 위에 그래프로 그리는 아날로그 차트 기록계(스트립 차트 레코더)의 펜을 움직이거나, 심장의 전기적 활동을 기록하는 심전도(ECG) 장비 등에 사용되었다.[7]
초기 검류계 중에는 지구 자기장과 전류가 만드는 자기장을 비교하는 원리를 이용한 정접 검류계(Tangent galvanometer)도 있었다. 이 검류계는 자기의 탄젠트 법칙을 기반으로 작동한다.[7] 이 외에도 무정위 검류계, 탄동 검류계 등 다양한 종류가 개발되었다.
4. 1. 접선 검류계 (Tangent Galvanometer)
접선 검류계(Tangent Galvanometer)는 전류를 측정하는 데 사용된 초기의 측정 기구 중 하나이다. 이 기구는 나침반 바늘을 이용하여 측정하려는 전류가 만드는 자기장과 지구 자기장을 비교하는 원리로 작동한다.[7][8] 이름은 작동 원리인 자기의 접선 법칙에서 유래했는데, 이 법칙은 나침반 바늘이 이루는 각도의 탄젠트 값이 서로 수직인 두 자기장의 세기 비율에 비례한다는 것을 의미한다. 1834년 요한 야코프 네르반데르(Johan Jakob Nervander)가 처음으로 기술하였다.[7][8][9][10]=== 구조 ===
접선 검류계는 기본적으로 절연된 구리선 코일이 원형의 비자성 프레임에 감겨 있는 형태이다. 이 프레임은 수평 조정 나사가 달린 받침대 위에 수직으로 세워져 있으며, 코일은 중심을 지나는 수직 축을 기준으로 회전할 수 있다. 코일의 중심에는 원형 눈금이 새겨진 나침반 상자가 수평으로 놓인다. 나침반 상자 안에는 작고 강력한 자석 바늘(자침)이 피벗 위에 놓여 수평면에서 자유롭게 회전할 수 있다. 원형 눈금은 0°부터 90°까지 표시된 네 개의 사분면으로 나뉘어 있다. 자침에는 길고 얇은 알루미늄 지시침이 수직으로 붙어 눈금을 가리킨다. 눈금을 읽을 때 발생하는 시차 오류를 줄이기 위해 자침 아래에는 평면 거울이 설치되어 있다.[11]
=== 작동 원리 및 이론 ===
측정 시에는 먼저 기기를 회전시켜 코일의 면이 지구 자기장의 방향(나침반 바늘이 가리키는 방향)과 나란하도록 맞춘다. 이 상태에서 측정하려는 전류를 코일에 흘려보낸다. 전류가 흐르면 코일의 축 방향으로 새로운 자기장 가 생성되는데, 이 자기장은 코일 면에 수직이므로 처음 정렬된 지구 자기장의 수평 성분 와 수직이 된다. 나침반 바늘은 이 두 자기장(와 )의 벡터 합 방향으로 회전하여 정지하게 되며, 이때 원래 방향에서 돌아간 각도 는 두 자기장의 비율의 탄젠트 값과 같다.
코일 중심에서 전류 (암페어)에 의해 생성되는 자기장의 세기 는 다음과 같다.
:
여기서 는 진공 투자율, 은 코일의 감은 수, 은 코일의 반지름이다.
나침반 바늘이 편향된 각도 는 접선 법칙에 따라 다음과 같이 표현된다.
:
따라서 이므로, 위 두 식을 결합하면 전류 를 구할 수 있다.
:
:
여기서 괄호 안의 값은 특정 검류계와 측정 위치(지구 자기장 값에 따라)에서 상수값을 가지므로, 이를 환산 계수(reduction factor) 라고 하면 다음과 같이 간단히 나타낼 수 있다.
:
측정된 각도 와 환산 계수 를 알면 전류 를 계산할 수 있다.[11] 전류를 공급하는 전선은 돼지 꼬리 모양의 작은 나선형으로 만들어야 하는데, 그렇지 않으면 전선 자체에서 발생하는 자기장이 나침반 바늘에 영향을 주어 측정 오류를 일으킬 수 있다.
=== 지구 자기장 측정 ===
접선 검류계는 지구 자기장의 수평 성분()의 세기를 측정하는 데에도 활용될 수 있다. 이때는 검류계와 함께 저전압 전원(예: 배터리), 가변 저항, 전류계를 직렬로 연결한다. 먼저 코일에 전류를 흘리지 않은 상태에서, 나침반 바늘이 가리키는 방향(지구 자기장 방향)과 코일 면이 평행하도록 검류계를 정렬한다. 그 다음 전원을 연결하고 가변 저항을 조절하여 나침반 바늘이 정확히 45° 편향되도록 전류를 맞춘다. 바늘이 45° 편향되었다는 것은 코일이 만든 자기장 의 세기와 지구 자기장의 수평 성분 의 세기가 같다는 의미이다(이므로 ). 이때 전류계로 측정한 전류 값과 코일의 감은 수 , 반지름 을 이용하여 값을 계산할 수 있다.
:
=== 장점과 단점 ===
접선 검류계는 구조가 비교적 간단하고 자기의 기본 원리를 이용하여 전류를 측정할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 단점으로는 편향각 가 0° 또는 90°에 가까워질수록 측정의 분해능이 크게 떨어진다는 점이다. 즉, 전류 값이 매우 작거나 매우 클 때는 전류 값의 변화에 비해 바늘의 각도 변화가 작아서 정밀한 측정이 어렵다. 분해능은 편향각이 45°일 때 최대가 된다.[12]
=== 관련 이미지 ===
4. 2. 무정위 검류계 (Astatic Galvanometer)
탄젠트 검류계와 달리, 무정위 검류계(astatic galvanometer)는 측정 과정에서 지구 자기장을 이용하지 않는다. 따라서 기기의 방향을 지구 자기장에 맞출 필요가 없어 사용하기 편리하다는 장점이 있다. 이 검류계는 1825년 레오폴도 노빌리가 개발했다.[13]무정위 검류계는 서로 평행하게 놓인 두 개의 자화된 바늘로 구성되는데, 각 바늘의 자극은 서로 반대 방향을 향하도록 배열되어 있다. 이 두 바늘은 한 가닥의 실에 매달려 있다.[14] 아래쪽 바늘은 전류를 감지하는 코일 내부에 위치하며, 코일을 통과하는 전류가 만드는 자기장에 의해 편향된다. 위쪽 바늘은 아래쪽 바늘의 자기 쌍극자 모멘트를 상쇄하는 역할을 한다. 이 구조 덕분에 두 바늘로 이루어진 전체 시스템은 순수한 자기 쌍극자 모멘트 값을 거의 가지지 않게 되어, 외부 지구 자기장의 영향을 거의 받지 않는다.
바늘이 회전하려는 힘은 바늘을 매단 실이 꼬이면서 발생하는 비틀림 탄성력(복원력)과 평형을 이루게 된다. 이 복원력은 바늘이 회전한 각도에 비례하므로, 회전 각도를 측정하여 전류의 세기를 알 수 있다.
4. 3. 거울 검류계 (Mirror Galvanometer)
거울 검류계는 극히 미세한 전류를 측정하기 위해 높은 감도가 필요할 때 사용된 장치이다. 초기 검류계는 지구 자기장을 이용했지만, 거울 검류계는 더욱 정밀한 측정을 가능하게 했다. 최초의 거울 검류계는 1826년 요한 크리스티안 포겐도르프가 발명한 것으로 알려져 있다. 이후 헤르만 폰 헬름홀츠가 1849년 무정위 검류계를 발명했고, 1858년에는 윌리엄 톰슨(켈빈 경)이 이를 더욱 발전시킨 톰슨 거울 검류계를 특허 등록했다.[3]
톰슨의 거울 검류계는 기존의 바늘(지침) 대신 가벼운 거울을 사용한 것이 특징이다. 가는 실에 매달린 작은 자석에 거울을 부착하고, 이를 수직 코일로 감싼 구조로 되어 있다. 전류가 코일을 통해 흐르면 자기장이 발생하여 자석과 거울이 미세하게 회전한다. 이때 거울에 빛을 비추면, 반사된 빛줄기가 멀리 떨어진 눈금자에 큰 움직임으로 나타나게 된다. 즉, 거울에서 반사된 빛줄기가 질량이 없는 긴 지침 역할을 하여 아주 작은 전류에 의한 미세한 회전도 크게 증폭시켜 측정할 수 있었다. 경우에 따라서는 현미경으로 자석의 편향을 직접 관찰하기도 했다.
이러한 높은 민감도 덕분에 거울 검류계는 중요한 과학 기술적 발전에 기여했다. 특히 1850년대 최초의 대서양 횡단 해저 통신 케이블에서 수신기로 사용되어, 수천 마일에 달하는 해저를 거쳐 전달된 극히 약한 전기 신호(펄스)를 성공적으로 감지해냈다. 이는 장거리 전신 통신 시대를 여는 데 중요한 역할을 했다.
또한, 거울 검류계의 원리는 다른 측정 장비 개발에도 영향을 미쳤다. 움직이는 빛줄기를 이용해 사진 필름에 전류의 변화를 시간 순서대로 기록하는 오실로그래프가 개발되었다. 아날로그 차트 기록계(스트립 차트 레코더)에서 펜의 움직임을 제어하는 데에도 검류계 메커니즘이 활용되었다. 특히, 매우 민감한 거울 검류계의 일종인 현 검류계는 인체 심장의 전기적 활동을 최초로 기록한 심전도(ECG) 장비에 사용되어 의학 발전에도 기여했다.
4. 4. 탄동 검류계 (Ballistic Galvanometer)
탄동 검류계(Ballistic galvanometereng)는 통과하는 전하의 양을 측정하는 민감한 검류계의 일종이다. 전류 측정 검류계와 달리, 응답의 긴 시간 상수로 인해 적분기 역할을 한다. 움직이는 부분은 큰 관성 모멘트를 가지고 있어 통합 측정을 가능하게 하는 충분히 긴 진동 주기를 갖는다. 이것은 이동 코일형 또는 이동 자석형일 수 있으며, 일반적으로 미러 검류계이다.5. 용도
검류계는 다양한 종류의 전기량을 지침의 움직임으로 변환하여 사람이 읽을 수 있도록 표시하는 데 유용하게 사용된다. 이는 전기를 출력하는 다른 센서의 측정값을 사람이 이해할 수 있는 형태로 바꾸는 데 이상적이다.
가장 기본적인 용도는 직류 전류를 감지하고 측정하는 것이다. 약간의 회로 변경을 통해 다른 전기량도 측정할 수 있다. 예를 들어, 션트라고 불리는 전류 분배기를 사용하면 측정 범위를 더 큰 전류까지 확장할 수 있다. 또한, 코일의 저항값을 알고 있다면 옴의 법칙에 따라 전압을 계산하여 직류 전압계로 사용할 수 있으며, 전압 분배기 회로를 구성하여 다양한 범위의 전압을 측정할 수도 있다. 알려진 전압원 및 조정 가능한 저항과 직렬로 연결하면 저항값도 측정 가능하다.
휘트스톤 브리지와 같은 측정 회로와 조합하여 매우 작은 미약 전류를 정밀하게 측정하는 데에도 활용된다.
5. 1. 과거의 용도
과거 검류계의 가장 큰 용도는 전자 장비의 아날로그 미터에 사용된 다르송발/웨스턴(D'Arsonval/Weston) 방식이었을 것이다. 그러나 1980년대 이후로 많은 용도에서 검류계 방식의 아날로그 미터 계기는 아날로그-디지털 변환기(ADC)로 대체되었다. 디지털 패널 미터(DPM)는 ADC와 숫자 디스플레이를 포함하며, 디지털 계기는 더 높은 정밀도와 정확도를 제공한다. 그럼에도 불구하고 전력 소비나 비용 문제로 아날로그 미터 계기가 여전히 사용되기도 한다.검류계의 초기 주요 용도 중 하나는 통신 케이블의 고장을 찾는 것이었다. 이 용도는 20세기 후반에 시간영역 반사계로 대체되었다.
또한 검류계 메커니즘은 필름 카메라의 노출계에서 광저항으로부터 판독값을 얻는 데 사용되기도 했다.
심전계, 뇌파계, 거짓말탐지기와 같은 아날로그 스트립 차트 기록기에서도 검류계 메커니즘이 사용되었다. 이 장치들에서 검류계는 펜의 위치를 조정하여 기록지에 파형을 그리는 역할을 했다. 이러한 검류계 구동 펜이 있는 스트립 차트 기록기는 최대 주파수 응답이 100 Hz 정도이며 수 센티미터의 편향을 가질 수 있었다.
매우 민감한 측정이 필요할 때는 지침 대신 거울을 사용한 거울 검류계가 사용되었다. 거울에서 반사된 빛의 빔은 길고 질량이 없는 포인터 역할을 하여 미세한 전류 변화도 감지할 수 있었다. 이러한 도구는 예를 들어 대서양 횡단 전신 통신 시스템의 수신기로 사용되기도 했다.
5. 2. 현대적 용도
과거 검류계의 가장 큰 용도는 전자 장비의 아날로그 미터에 사용된 다르송발/웨스턴(D'Arsonval/Weston) 방식이었다. 그러나 1980년대 이후 많은 경우 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하는 디지털 패널 미터(DPM)로 대체되었다. 디지털 계기는 더 높은 정밀도와 정확도를 제공하지만, 전력 소비나 비용 문제 때문에 아날로그 미터가 여전히 선호되기도 한다.
현대에 들어 검류계 기구는 주로 위치 제어 시스템에 사용된다. 이들은 움직이는 자석형과 움직이는 코일형으로 나뉘며, 작동 방식에 따라 폐루프(closed-loop)형과 개루프(open-loop)형(또는 공진형)으로도 구분된다.
'''거울 검류계 시스템'''은 레이저 스캐닝 시스템에서 레이저 빔의 위치를 정하거나 방향을 조절하는 요소로 활용된다.
- '''폐루프 거울 검류계'''는 주로 고출력 레이저를 이용한 재료 가공 분야에서 서보 제어 시스템과 함께 사용된다. 이들은 고출력 검류계이며, 최신 빔 조향용 검류계는 적절한 서보 기술과 결합하여 10kHz 이상의 주파수 응답을 가질 수 있다. 폐루프 거울 검류계는 스테레오리소그래피, 레이저 소결, 레이저 조각, 레이저 용접, 레이저 TV, 레이저 디스플레이 등에 사용된다. 또한 광 간섭 단층 촬영(OCT)이나 스캐닝 레이저 검안경(SLO)과 같은 의료 영상 분야의 망막 스캐닝에도 활용된다. 이러한 검류계는 대부분 움직이는 자석형이며, 회전축의 위치는 적외선 방출기와 두 개의 포토다이오드를 이용해 측정하여 피드백 신호(아날로그)를 생성한다.
- '''개루프(공진형) 거울 검류계'''는 레이저 기반 바코드 스캐너, 인쇄 기계, 이미징 응용 분야, 군사 및 우주 시스템 등에서 사용된다. 특히 윤활유가 필요 없는 베어링을 사용하기 때문에 고진공 환경이 요구되는 응용 분야에 유용하다.
'''움직이는 코일형 검류계'''는 하드 디스크 드라이브(HDD)나 CD/DVD 플레이어에서 헤드의 위치를 정밀하게 제어하는 서보 시스템에 사용된다. HDD 제조업체에서는 이를 '보이스 코일'이라고 부르기도 하는데, 이는 헤드의 질량을 최대한 줄여 데이터 접근 시간(access time)을 단축하기 위함이다.
이 외에도 검류계는 여전히 직류 전류 측정과 같은 기본적인 측정 분야에서도 사용된다. 휘트스톤 브리지와 함께 사용하면 매우 작은 전류도 측정할 수 있다.
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