bélyegkép|jobbra|350px|Mérési elrendezés Thomson-hídban. A képen jól látható az áram hozzávezetés állítható menetes leszorítása, a potenciálpontok kialakítása a söntellenálláson a feszültségesés elvezetéséhez, a fénymutatós galvanométer, a híd, valamint a tápegység.A galvanométer alatt látható szivacs a felette lévő ólomtömbbel a galvanométert védi a rezgésektől bélyegkép|jobbra|250px|Csúszóhuzalos Thomson-híd, beépített galvanométerrel A Thomson-híd (más néven Kelvin-híd vagy Thomson-féle kettős híd) elsősorban nagyon kicsi ellenállások (kb. 0,001 mΩ – ~25 Ω) mérésére alkalmas áramköri elrendezés. William Thomson találta fel, a Sir Charles Wheatstone által 1843-ban továbbfejlesztett Wheatstone-híd módosításával. Thomson-hídban mérik be a nagyon kis értékű ellenállásokat, így az interpoláló szelencéket, söntellenállásokat, normálellenállásokat, etalon-ellenállásokat. A Thomson-híd kiküszöböli a hozzávezetésekből származó, a bekötőhuzal ellenállásából adódó mérési pontatlanságokat, amiket az okoz, hogy a mérendő érték és a bekötőhuzal ellenállása összehasonlítható nagyságú, esetenként a bekötőhuzal ellenállása nagyságrendekkel nagyobb. A mérés minden esetben négyvezetékes méréssel történik, ahol két vezeték az áramhozzávezetést szolgálja, míg a másik kettő a galvanométer bekötésére szolgál a potenciálpontok közötti feszültség méréséhez. A Thomson-híddal sikerült az 1 Ω értékű normálellenállásból az 1:10, 1:100 arányban való mérésekkel fokozatosan az 1/1000 és az 1/ Ω-os normálellenállást leszármaztatni, a normálellenállásokhoz megkövetelt megbízhatósággal.

Szükségessége Egyéb mérési módszerek esetén (például Wheatstone-híd) a bekötővezeték ellenállása hozzáadódik a mérendő Rx ellenálláshoz. A szabványos mV zsinórpár ellenállása 0,035 Ω. Ez kis ellenállások mérésénél már nem elhanyagolható. A Thomson-híd szakszerű használatával ez a hiba kiküszöbölhető. +A bekötővezeték által okozott hibaMérendő ellenállás ΩHiba %Mérendő ellenállás ΩHiba %250,140,01 350 100,350,001350050,700,000113,50,000010,1350,000001

A Wheatstone-hidat 1833-ban Samuel Hunter Christie találta fel, majd 1843-ban Sir Charles Wheatstone fejlesztette tovább és terjesztette el. William Thomson felismerve ennek kis értékű ellenállások mérésénél okozott hibáit, megalkotta a bekötővezetékek által okozott hibát kiküszöbölő hidat, melyet Kirchhoff és Gustav HansemannTermészettudományi KözlönyA Közlönyben szereplő Hausemann sajtóhiba fejlesztett tovább.Theee doctrine of description: Gustav Kirchhoff, classical physics, ... - P 265. o Az így módosított hidat már 1890 előtt gyártották.

Jelentősége A Thomson-híddal sikerült az 1 Ω értékű normálellenállásból az 1:10, 1:100 arányban való mérésekkel fokozatosan az 1/1000 és az 1/ Ω-os normálellenállást leszármaztatni, a normálellenállásokhoz megkövetelt megbízhatósággal. Nagyobb, de műszaki célokra még jó kielégítő bizonytalansággal 10−6 Ω is mérhető ezzel a hídkapcsolással. Tájékoztatásul a legkisebb normálellenállás 0,0001 Ω értékű, amelynek tényleges ellenállását 0,01–0,02%-áig ismerhetjük.

Elve bélyegkép|jobbra|300px|A Thomson-híd kapcsolási vázlata A kapcsolás elve az, hogy az Rx ismeretlen és az Rn ismert ellenállást sorba kapcsolják, mintegy a főáramkört alkotva, és azokon viszonylag nagy egyenáram folyik. Az I áram nagyságát az áramkorlátozó ellenállással (Rt) lehet beállítani. A két ellenállás definíciós pontjára kapcsolják a négy nagyobb ellenállásból (R1, R2, R3, R4) összeállított mellékáramkört, így az ismeretlen Rx ellenállást öt ismert ellenállásból állapítják meg. Mechanikai kényszer biztosítja, hogy az ellenállások változtatása során is érvényes legyen ez az egyenlet:

vagy , és ezt a négy ellenállást addig változtatják, míg a galvanométer árammentes nem lesz (IG=0). Ekkor a Q és a Z pontok potenciálja azonos (értelemszerűen a hat ág ellenállásai nem lehetnek egymással egyenlőek, R1>>Rx, R2>>Rn), tehát

A galvanométer árammentes, a Q és a Z pont nem elágazás, vagyis és , valamint az előbbi két egyenlet osztásával , viszont ; az előző két egyenlet összevetésével . Ez csak akkor lehetséges, ha vagy

A Thomson-híd segítségével két kis ellenállás (Rx és Rn) arányát két megfelelően nagy ellenállás arányával (R1 és R2, illetve R3 és R4) fejezik ki. Ezek olyan nagyok lehetnek, hogy a csatlakozóvezetékek ellenállása elhanyagolható. Így: .

Kivitele

bélyegkép|jobbra|300px|Thomson-híd Az analóg Thomson-hidakat többféle kivitelben gyártják. Az egyikben csak a nagyobb ellenállású négy ágat építik be (R1, R2, R3 és R4). Ezek közül az ismeretlen Rx ellenálláshoz csatlakozó R1 és R3 (többnyire mechanikai kényszerkapcsolatban) három-három, vagy négy-négy azonos dekádsor: pl. 9×100+9×10+9×1+9×0,1 Ω.

Az ismert Rn ellenálláshoz kapcsolható R2 és R4 általában 10 egész kitevőjű hatványa, így 10–10 Ω, 100–100 Ω vagy 1000–1000 Ω.

A fő áramkört ezeknél a hidaknál külön kell elkészíteni. Az Rn ellenállás helyére normálellenállást, vagy egy pontos etalon-ellenállást is lehet tenni.

A másik kivitelnél az Rn ellenállást is beépítik, mint nagy keresztmetszetű kalibrált manganinhuzal.

Készülnek hidak a képen látható kivitelben is. Itt a dekádellenállás (többnyire mechanikai kényszerkapcsolatban) öt-öt azonos dekádsor: pl. 9×1000+9×100+9×10+9×1+9×0,1 Ω. A dekádellenállás általában 10 egész kitevőjű hatványa, így például 1:1=1, 1:10=0,1 1:100=0,01, 1:1000=0,001. A híd kiegyenlítésének feltétele, hogy a beállított értékekkel a szükséges ellenállást tudjuk beállítani. Így például egy 60 mV=0,06 V feszültségesésű söntellenállás, amelynek névleges árama 10 A, az ellenállását 0,06 V/ 10 A= 0,006 Ω-ra kell bemérni. A beállítás a=1000, R=600 Ω, N1=0,01. Így X=R×N1/a=600 Ω×0,01/1000=0,006 Ω. Ez az összefüggés X=R×N/a tulajdonképpen a más formában történő felírása. (Az N2 állás külső normálellenállás, vagy etalon-ellenállás esetén van használva). A csúszóhuzalos hidaknál a két dekádellenállást két ellenálláshuzal, és egy kis ellenállású elvezető huzal biztosítja.

A galvanométer

Jó elkészítés esetén egy-egy ág bizonytalansága 0,01%–0,02%, az eredményé tehát 1‰-nél kisebb. A galvanométernél lényeges a nullapont stabilitása. Tulajdonképpen azt kell észlelni, amikor éppen nem folyik áram. A mai korszerű feszítettszálas kivitelű műszereknél ez a feltétel teljesül. Lényeges még a galvanométer beállási ideje. A galvanométernek csillapodó lengésekkel maximum 4 s alatt kell beállni az átfolyó áramnak megfelelő kitérésre. Lényeges szempont még, hogy a galvanométer felől nézve a híd Rk ellenállása valamivel nagyobb legyen, mint a galvanométer külső kritikus ellenállása. Ebből kifolyólag külön gyártanak galvanométereket Thomson-hídhoz, és Wheatstone-hídhoz. Ezek belső ellenállása eltérő, és illeszkednek a hidak külső ellenállásához. Készülnek hidak beépített galvanométerrel is.

+A galvanométer egy lehetséges változatának jellemzőiAlkalmazásÁramérzékenységA/osztásBemenő ellenállásΩKülső határellenállásΩBeállási idősecWheatstone-hídhoz1×10−7, 5×10−7, 1×10−6, 5×10−61000-1920-1080-240 4 Thomson-hídhoz1×10−6, 5×10−6, 1×10−5, 5×10−520-32-18-4230 4

Ellenállása a galvanométer felől nézve bélyegkép|jobbra|300px|Thomson-híd a galvanométer felől nézve A Thomson-híd, mint áramkör a galvanométerből nézhető, ellenállása így Rk. Kiegyenlített állapotban a Q és a Z pont potenciálja azonos, így Ig=0. Ha az egyes ágak ellenállása a mérendő Rx-szel kifejezve egyensúlyi állapotban: , , . akkor, mint az a fentiekből könnyen levezethető, a keresett ellenállás .

Az érzékenység vizsgálatánál feltételezzük, hogy a galvanométer kritikus külső ellenállása valamivel kisebb, mint a híd Rk külső ellenállása: Rkr<Rk és Rk= 1,1...1,2×Rkrit

Ha Rk<Rkr, akkor a hiányzó ellenállást a galvanométerrel sorba kell kötni a híd és a műszer közé.

Ha Rk>1,2×Rkr, akkor a galvanométerrel párhuzamosan kell kapcsolni akkora Rs söntellenállást, hogy az eredő külső ellenállás (T) a galvanométerből nézve ≈ legyen.

Érzékenysége Azonos ellenállások mérésekor, azonos feszültségről táplálva, azonos galvanométert alkalmazva a Thomson-híd érzékenysége (ET) kisebb, mint a Wheatstone-hídé (EW). , ahol , és F<1.Arthur Schuster, majd Wilhelm Jaeger és Hermann Dießelhorst levezetése szerint

A fő áramkör kialakítása bélyegkép|jobbra|300px|Egybeépített Wheatstone–Thomson-híd A fő áramkört úgy kell kialakítani, hogy az Rx és Rn ellenállásokat összekötő vezeték (RI2-I3) ellenállása a lehető legkisebb legyen (ideális eset RI2-I3≈0). Ekkor a híd érzékenysége nő (IG:I aránya megnő).

Ha a fő áramkört az Rx és Rn között megszakítják, akkor a Thomson-híd Wheatstone-híddá alakul, amelyben az ágak Rx+R3, Rn+R4, R1+R2.

Gyártanak olyan hidakat is, ahol ezt kihasználva egybeépített Thomson–Wheatstone-hidat építenek.

A mérés menete A mérés előfeltételei A mérő áramkörben ne legyenek „belső” feszültségek, ne legyenek kontaktus-feszültségek stb. A mérés folyamán minden, nem a mért értékből következő, a mérést meghamisító tényezőt ki kell zárni.

Meg kell róla győződni, hogy a mérés a mérési utasításban szereplő árammal fog történni, vagy annál kisebbel. Általában a használt etalon-ellenállás, vagy normálellenállás terhelhetősége a meghatározó.

Lényeges előfeltétel még a csatlakozó kapcsok tisztasága, kitűnő szigetelése, a bekötővezetékek kifogástalan állapota.

A mérendő ellenállás a mérési pontokon fémtiszta-, szennyeződéstől-, oxidtól-, szigeteléstől mentes legyen. Különös gondossággal kell megtisztítani a manganinból készült ellenállásokat, ha azt lágyforrasztással rögzítik, mivel nehezen forrasztható.

Az adott nagyságú ellenállás értékének meghatározása Ismeretlen értékű ellenállásoknál figyelembe kell venni, a megengedhető legnagyobb áramot. Mindig kisebb áramértékkel kell kezdeni a mérést, nehogy az ellenállás károsodjon. A galvanométer kitérési irányának megfelelően a hídon beállított értéket növelni, vagy csökkenteni szükséges. Célszerű a mérés előtt az ellenállás keresztmetszetének ismeretében számítást végezni, és a mérőáramot ennek függvényében meghatározni. Ekkor az áramsűrűség nem haladhatja meg a 2 A/mm² értéket. Az ellenállás pontos értékének meghatározásához (a galvanométer teljes árammentes állapotához), esetenként két interpoláló szelencét használnak.

Ellenállás adott értékre történő bemérése bélyegkép|bal|180px| Lapsönt értékének beállítása lyukasztással. A képen még látszik a folyasztószer maradványa. bélyegkép|jobb|200px|Univerzális műszer Ayerton-féle söntellenállás sora. Jól látható a beméréshez használt becsípés eltérő mérete. bélyegkép|bal|180px|2500 A 60 mV söntellenállás. A képen látható, hogy az érték beállítása az alsó és felső sönthuzalok egyenletes bereszelésével történt

Söntellenállásoknál a gyakorlatban inkább ez szokott előfordulni. A hídon beállítják a mérendő mennyiséget. Ha nincs beépített normálellenállás, akkor az Rn helyére egy nagy pontosságú etalon-ellenállást, vagy egy külső normálellenállást tesznek. A jól méretezett söntellenállásnál a galvanométer a kisebb értéknek megfelelő irányba tér ki. Ekkor a keményforrasztással beforrasztott manganin keresztmetszetét reszeléssel, marással vagy csiszolással csökkenteni kell. Itt ügyelni kell arra, hogy a keményforrasztás folyasztószerének eltávolítására, a felület homogenizálására a kész darabokat savval maratják. Ez, bármilyen gyorsan végzik is el a műveletet, a keresztmetszetet csökkenti és ezzel az ellenállást növeli. Beméréskor törekedni kell arra is, hogy a keresztmetszet csökkentése elosztva történjen, ne rövid szakaszra koncentrálódjon, mivel ezen a részen az áramsűrűség a megengedettnél nagyobb lehet. Lemezből készült söntellenállásoknál elterjedt gyakorlat még a lemez becsípésével, annak hosszának növelése. A képen jól látható a beméréshez használt becsípés kisebb mélysége, valamint a kívánt ellenállás érték beállítása történhet még a lemez lyukasztásával és ezzel a keresztmetszet csökkentésével. Huzalellenállásoknál szokásos még a huzal rövidítése.