Galvanómetro

Un galvanómetro es un instrumento electromecánico de medida de corriente eléctrica. Los primeros galvanómetros no estaban calibrados, pero las versiones mejoradas, llamadas amperímetros, estaban calibradas y podían medir el flujo de corriente con mayor precisión.

Un galvanómetro funciona desviando un puntero en respuesta a una corriente eléctrica que fluye a través de una bobina en un campo magnético constante. Los galvanómetros se pueden considerar como una especie de actuador.

Los galvanómetros surgieron de la observación, observada por primera vez por Hans Christian Ørsted en 1820, de que la aguja de una brújula magnética se desvía cuando está cerca de un cable que tiene corriente eléctrica. Fueron los primeros instrumentos utilizados para detectar y medir pequeñas cantidades de corriente. André-Marie Ampère, quien dio expresión matemática al descubrimiento de Ørsted, nombró el instrumento en honor al investigador de electricidad italiano Luigi Galvani, quien en 1791 descubrió el principio del galvanoscopio de rana: que la corriente eléctrica haría que las patas de una rana muerta idiota.

Los galvanómetros han sido esenciales para el desarrollo de la ciencia y la tecnología en muchos campos. Por ejemplo, en la década de 1800 permitieron la comunicación de largo alcance a través de cables submarinos, como los primeros cables telegráficos transatlánticos, y fueron esenciales para descubrir la actividad eléctrica del corazón y el cerebro, por sus finas mediciones de corriente.

Los galvanómetros también se han utilizado como componentes de visualización de otros tipos de medidores analógicos (por ejemplo, medidores de luz y medidores de VU), capturando las salidas de estos medidores' sensores Hoy en día, el principal tipo de galvanómetro que todavía se utiliza es el tipo D'Arsonval/Weston.

Operación

Los galvanómetros modernos, del tipo D'Arsonval/Weston, se construyen con una pequeña bobina giratoria de alambre, llamada husillo, en el campo de un imán permanente. La bobina está unida a un puntero delgado que atraviesa una escala calibrada. Un pequeño resorte de torsión tira de la bobina y el puntero a la posición cero.

Cuando una corriente continua (CC) fluye a través de la bobina, la bobina genera un campo magnético. Este campo actúa contra el imán permanente. La bobina gira, empuja contra el resorte y mueve el puntero. La mano apunta a una escala que indica la corriente eléctrica. El diseño cuidadoso de las piezas polares asegura que el campo magnético sea uniforme para que la desviación angular del puntero sea proporcional a la corriente. Un medidor útil generalmente contiene una disposición para amortiguar la resonancia mecánica de la bobina móvil y el puntero, de modo que el puntero se asiente rápidamente en su posición sin oscilación.

La sensibilidad básica de un medidor podría ser, por ejemplo, 100 microamperios de escala completa (con una caída de voltaje de, digamos, 50 milivoltios a plena corriente). Dichos medidores a menudo se calibran para leer alguna otra cantidad que se pueda convertir en una corriente de esa magnitud. El uso de divisores de corriente, a menudo llamados derivaciones, permite calibrar un medidor para medir corrientes más grandes. Un medidor se puede calibrar como un voltímetro de CC si se conoce la resistencia de la bobina calculando el voltaje requerido para generar una corriente de escala completa. Un medidor se puede configurar para leer otros voltajes colocándolo en un circuito divisor de voltaje. Esto generalmente se hace colocando una resistencia en serie con la bobina del medidor. Se puede usar un medidor para leer la resistencia colocándolo en serie con un voltaje conocido (una batería) y una resistencia ajustable. En un paso preparatorio, se completa el circuito y se ajusta la resistencia para producir una desviación a gran escala. Cuando una resistencia desconocida se coloca en serie en el circuito, la corriente será inferior a la escala completa y una escala calibrada adecuadamente puede mostrar el valor de la resistencia previamente desconocida.

Estas capacidades para traducir diferentes tipos de cantidades eléctricas en movimientos de puntero hacen que el galvanómetro sea ideal para convertir la salida de otros sensores que generan electricidad (de una forma u otra) en algo que pueda leer un ser humano.

Debido a que el puntero del medidor suele estar a una pequeña distancia por encima de la escala del medidor, puede ocurrir un error de paralaje cuando el operador intenta leer la línea de la escala que "alinea" con el puntero Para contrarrestar esto, algunos metros incluyen un espejo junto con las marcas de la escala principal. La precisión de la lectura de una escala reflejada se mejora colocando la cabeza mientras se lee la escala de modo que el puntero y el reflejo del puntero estén alineados; en este punto, el ojo del operador debe estar directamente sobre el puntero y se ha minimizado cualquier error de paralaje.

Usos

Probablemente, el mayor uso de galvanómetros fue del tipo D'Arsonval/Weston utilizado en medidores analógicos en equipos electrónicos. Desde la década de 1980, los movimientos de medidores analógicos tipo galvanómetro han sido desplazados por convertidores de analógico a digital (ADC) para muchos usos. Un medidor de panel digital (DPM) contiene un ADC y una pantalla numérica. Las ventajas de un instrumento digital son una mayor precisión y exactitud, pero factores como el consumo de energía o el costo aún pueden favorecer la aplicación de movimientos de medidores analógicos.

Usos modernos

La mayoría de los usos modernos del mecanismo del galvanómetro se encuentran en los sistemas de posicionamiento y control. Los mecanismos de galvanómetro se dividen en galvanómetros de imán móvil y de bobina móvil; además, se dividen en bucle cerrado y bucle abierto - o resonante - tipos.

Los sistemas de galvanómetros de espejo se utilizan como elementos de orientación o posicionamiento del haz en los sistemas de escaneo láser. Por ejemplo, para el procesamiento de materiales con láseres de alta potencia, se utilizan mecanismos de galvanómetro de espejo de bucle cerrado con sistemas de servocontrol. Por lo general, se trata de galvanómetros de alta potencia y los galvanómetros más nuevos diseñados para aplicaciones de dirección de haz pueden tener respuestas de frecuencia superiores a 10 kHz con la tecnología servo apropiada. Los galvanómetros de espejo de circuito cerrado también se utilizan de manera similar en estereolitografía, sinterización por láser, grabado por láser, soldadura por rayo láser, televisores láser, pantallas láser y en aplicaciones de imágenes como escaneo de retina con tomografía de coherencia óptica (OCT) y oftalmoscopia láser de escaneo (SLO).). Casi todos estos galvanómetros son del tipo de imán móvil. El lazo cerrado se obtiene midiendo la posición del eje de rotación con un emisor de infrarrojos y 2 fotodiodos. Esta retroalimentación es una señal analógica.

Los galvanómetros de bucle abierto o de espejo resonante se utilizan principalmente en algunos tipos de lectores de códigos de barras basados en láser, máquinas de impresión, aplicaciones de imágenes, aplicaciones militares y sistemas espaciales. Sus rodamientos no lubricados son especialmente interesantes en aplicaciones que requieren un funcionamiento en alto vacío.

Los mecanismos de galvanómetro de tipo bobina móvil (llamados 'bobinas de voz' por los fabricantes de discos duros) se utilizan para controlar los servos de posicionamiento del cabezal en unidades de disco duro y reproductores de CD/DVD, en para mantener la masa (y por lo tanto los tiempos de acceso), lo más bajo posible.

Usos anteriores

Un uso temprano importante de los galvanómetros fue para encontrar fallas en los cables de telecomunicaciones. Fueron reemplazados en esta aplicación a fines del siglo XX por los reflectómetros en el dominio del tiempo.

También se utilizaron mecanismos de galvanómetro para obtener lecturas de fotorresistores en los mecanismos de medición de las cámaras de película (como se ve en la imagen adyacente).

En los registradores analógicos de tiras gráficas, como los que se utilizan en electrocardiógrafos, electroencefalógrafos y polígrafos, se utilizaban mecanismos galvanométricos para posicionar la pluma. Los registradores de gráficos de bandas con plumas impulsadas por galvanómetros pueden tener una respuesta de frecuencia de escala completa de 100 Hz y varios centímetros de desviación.

Historia

Hans Christian Ørsted

La desviación de la aguja de una brújula magnética por la corriente en un cable fue descrita por primera vez por Hans Christian Ørsted en 1820. El fenómeno se estudió por sí mismo y como un medio para medir la corriente eléctrica.

Schweigger y Ampère

El galvanómetro más antiguo fue informado por Johann Schweigger en la Universidad de Halle el 16 de septiembre de 1820. André-Marie Ampère también contribuyó a su desarrollo. Los primeros diseños aumentaron el efecto del campo magnético generado por la corriente mediante el uso de múltiples vueltas de cable. Al principio, los instrumentos se denominaron "multiplicadores" debido a esta característica de diseño común. El término "galvanómetro," en uso común en 1836, se derivó del apellido del investigador de electricidad italiano Luigi Galvani, quien en 1791 descubrió que la corriente eléctrica haría que la pata de una rana muerta se sacudiera.

Poggendorff y Thomson

Originalmente, los instrumentos se basaban en el campo magnético de la Tierra para proporcionar la fuerza restauradora de la aguja de la brújula. Estos fueron llamados "tangente" galvanómetros y tuvo que ser orientado antes de su uso. Instrumentos posteriores de la "astatic" tipo usaba imanes opuestos para independizarse del campo de la Tierra y operaría en cualquier orientación.

Un galvanómetro de espejo temprano fue inventado en 1826 por Johann Christian Poggendorff. Un galvanómetro astático fue inventado por Hermann von Helmholtz en 1849; una versión más sensible de ese dispositivo, el galvanómetro de espejo de Thomson, fue patentado en 1858 por William Thomson (Lord Kelvin). El diseño de Thomson fue capaz de detectar cambios de corriente muy rápidos mediante el uso de pequeños imanes unidos a un espejo liviano, suspendido por un hilo, en lugar de la aguja de una brújula. La desviación de un haz de luz en el espejo aumentaba mucho la desviación inducida por pequeñas corrientes. Alternativamente, la desviación de los imanes suspendidos podría observarse directamente a través de un microscopio.

Jorge Ohm

La capacidad de medir cuantitativamente el voltaje y la corriente permitió a Georg Ohm, en 1827, formular la Ley de Ohm: que el voltaje a través de un conductor es directamente proporcional a la corriente que lo atraviesa.

D'Arsonval y Deprez

La primera forma de galvanómetro de imán móvil tenía la desventaja de que se veía afectado por cualquier imán o masa de hierro cerca de él, y su desviación no era linealmente proporcional a la corriente. En 1882, Jacques-Arsène d'Arsonval y Marcel Deprez desarrollaron una forma con un imán permanente estacionario y una bobina móvil de alambre, suspendida por cables finos que proporcionaban tanto una conexión eléctrica a la bobina como el par de restauración para volver a cero. posición. Un tubo de hierro entre las piezas polares del imán definía un espacio circular a través del cual giraba la bobina. Este espacio produjo un campo magnético radial consistente a través de la bobina, dando una respuesta lineal en todo el rango del instrumento. Un espejo unido a la bobina desviaba un haz de luz para indicar la posición de la bobina. El campo magnético concentrado y la delicada suspensión hicieron que estos instrumentos fueran sensibles; El instrumento inicial de d'Arsonval podía detectar diez microamperios.

Edward Weston

Edward Weston mejoró ampliamente el diseño del galvanómetro. Reemplazó la suspensión de alambre fino con un pivote y proporcionó la restauración del torque y las conexiones eléctricas a través de resortes en espiral en lugar de a través de la tradicional espiral del volante del reloj de pulsera. Desarrolló un método para estabilizar el campo magnético del imán permanente, de modo que el instrumento tuviera una precisión constante a lo largo del tiempo. Reemplazó el haz de luz y el espejo con un puntero afilado como un cuchillo que podía leerse directamente. Un espejo debajo del puntero, en el mismo plano que la escala, eliminó el error de observación de paralaje. Para mantener la intensidad del campo, el diseño de Weston utilizó una ranura circunferencial muy estrecha a través de la cual se movía la bobina, con un espacio de aire mínimo. Esto mejoró la linealidad de la desviación del puntero con respecto a la corriente de la bobina. Finalmente, la bobina se enrollaba en una forma liviana hecha de metal conductor, que actuaba como amortiguador. En 1888, Edward Weston patentó y lanzó una forma comercial de este instrumento, que se convirtió en un componente estándar de equipo eléctrico. Era conocido como un "portátil" instrumento porque se vio afectado muy poco por la posición de montaje o por transportarlo de un lugar a otro. Este diseño se usa casi universalmente en los medidores de bobina móvil en la actualidad.

Inicialmente, los galvanómetros, instrumentos de laboratorio que dependían del propio campo magnético de la Tierra para proporcionar una fuerza restauradora para el puntero, se convirtieron en instrumentos portátiles compactos, resistentes y sensibles, esenciales para el desarrollo de la electrotecnología.

Movimiento de banda tensa

El movimiento de banda tensa es un desarrollo moderno del movimiento D'Arsonval-Weston. Los pivotes joya y las espirales se sustituyen por diminutas tiras de metal bajo tensión. Tal medidor es más robusto para uso en campo.

Tipos

En líneas generales, existen dos tipos de galvanómetros. Algunos galvanómetros usan un indicador sólido en una escala para mostrar las medidas; otros tipos muy sensibles utilizan un espejo en miniatura y un haz de luz para proporcionar una amplificación mecánica de las señales de bajo nivel.

Galvanómetro tangente

Un galvanómetro tangente es uno de los primeros instrumentos de medición utilizados para medir la corriente eléctrica. Funciona usando la aguja de una brújula para comparar un campo magnético generado por la corriente desconocida con el campo magnético de la Tierra. Recibe su nombre de su principio operativo, la ley de la tangente del magnetismo, que establece que la tangente del ángulo que forma la aguja de una brújula es proporcional a la relación de las fuerzas de los dos campos magnéticos perpendiculares. Fue descrito por primera vez por Johan Jakob Nervander en 1834.

Un galvanómetro tangente consta de una bobina de alambre de cobre aislado enrollado en un marco circular no magnético. El marco se monta verticalmente sobre una base horizontal provista de tornillos de nivelación. La bobina puede girar sobre un eje vertical que pasa por su centro. Una caja de compás está montada horizontalmente en el centro de una escala circular. Consiste en una pequeña y potente aguja magnética que gira en el centro de la bobina. La aguja magnética puede girar libremente en el plano horizontal. La escala circular se divide en cuatro cuadrantes. Cada cuadrante está graduado de 0° a 90°. Un puntero largo y delgado de aluminio está unido a la aguja en su centro y en ángulo recto con ella. Para evitar errores debidos al paralaje, se monta un espejo plano debajo de la aguja de la brújula.

En funcionamiento, primero se gira el instrumento hasta que el campo magnético de la Tierra, indicado por la aguja de la brújula, sea paralelo al plano de la bobina. Luego, la corriente desconocida se aplica a la bobina. Esto crea un segundo campo magnético en el eje de la bobina, perpendicular al campo magnético de la Tierra. La aguja de la brújula responde a la suma vectorial de los dos campos y se desvía a un ángulo igual a la tangente de la relación de los dos campos. Desde el ángulo leído en la escala de la brújula, la corriente se puede encontrar en una tabla. Los cables de suministro de corriente deben enrollarse en una pequeña hélice, como una cola de cerdo, de lo contrario, el campo debido al cable afectará la aguja de la brújula y se obtendrá una lectura incorrecta.

• Tangent Galvanometer
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  An 1850 Pouillet Tangent Galvanometer on display at Musée d'histoire des sciences de la Ville de Genève

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  Galvanometer Tangente fabricado por J. H. Bunnell Co. alrededor de 1890.

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  Vista superior de un galvanometro tangente hecho alrededor de 1950. La aguja indicadora de la brújula es perpendicular a la aguja magnética negra más corta.

Teoría

El galvanómetro está orientado de modo que el plano de la bobina sea vertical y alineado paralelo al componente horizontal B_H del campo magnético de la Tierra (es decir, paralelo al "meridiano magnético" local). Cuando una corriente eléctrica fluye a través de la bobina del galvanómetro, se crea un segundo campo magnético B. En el centro de la bobina, donde se encuentra la aguja de la brújula, el campo de la bobina es perpendicular al plano de la bobina. La magnitud del campo de la bobina es:

${displaystyle B={mu] I over 2r},}$

donde I es la corriente en amperios, n es el número de vueltas de la bobina y r es el radio de la bobina. Estos dos campos magnéticos perpendiculares se suman vectorialmente, y la aguja de la brújula apunta en la dirección de su resultante B_H+B. La corriente en la bobina hace que la aguja de la brújula gire un ángulo θ:

${displaystyle theta =tan ^{-1}{frac {B} {B_{H}},}$

De la ley de la tangente, B = B_H tan θ, es decir,

${displaystyle {mu}n} I over 2r}=B_{H}tan theta ,}$

o

${displaystyle I=left({frac {2rB_{H}{mu _{0}n}right)tan theta ,}$

o I = K tan θ, donde K< /i> se denomina factor de reducción del galvanómetro tangente.

Un problema con el galvanómetro tangente es que su resolución se degrada tanto con corrientes altas como bajas. La resolución máxima se obtiene cuando el valor de θ es 45°. Cuando el valor de θ está cerca de 0° o 90°, un gran cambio porcentual en la corriente solo moverá la aguja unos pocos grados.

Medición de campo geomagnético

También se puede usar un galvanómetro tangente para medir la magnitud de la componente horizontal del campo geomagnético. Cuando se usa de esta manera, una fuente de energía de bajo voltaje, como una batería, se conecta en serie con un reóstato, el galvanómetro y un amperímetro. Primero se alinea el galvanómetro para que la bobina quede paralela al campo geomagnético, cuya dirección indica la brújula cuando no hay corriente a través de las bobinas. Luego se conecta la batería y se ajusta el reóstato hasta que la aguja de la brújula se desvía 45 grados del campo geomagnético, lo que indica que la magnitud del campo magnético en el centro de la bobina es la misma que la del componente horizontal del campo geomagnético. Esta intensidad de campo se puede calcular a partir de la corriente medida por el amperímetro, el número de vueltas de la bobina y el radio de las bobinas.

Galvanómetro estático

A diferencia del galvanómetro tangente, el galvanómetro astático no utiliza el campo magnético terrestre para la medición, por lo que no necesita estar orientado con respecto al campo terrestre., haciéndolo más fácil de usar. Desarrollado por Leopoldo Nobili en 1825, consta de dos agujas imantadas paralelas entre sí pero con los polos magnéticos invertidos. Estas agujas están suspendidas por un solo hilo de seda. La aguja inferior está dentro de una bobina de alambre de detección de corriente vertical y es desviada por el campo magnético creado por la corriente que pasa, como en el galvanómetro tangente de arriba. El propósito de la segunda aguja es cancelar el momento dipolar de la primera aguja, por lo que la armadura suspendida no tiene un momento dipolar magnético neto y, por lo tanto, no se ve afectada por el campo magnético terrestre. La rotación de la aguja se opone a la elasticidad torsional del hilo de suspensión, que es proporcional al ángulo.

• Nobili es un galvanometro estático
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  Galvanometer in display at Musée d'histoire des sciences de la Ville de Genève

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  Detalle de un galvanometro estático.

Galvanómetro de espejo

Para lograr una mayor sensibilidad para detectar corrientes extremadamente pequeñas, el galvanómetro de espejo sustituye el puntero por un espejo liviano. Consiste en imanes horizontales suspendidos de una fibra fina, dentro de una bobina vertical de alambre, con un espejo unido a los imanes. Un haz de luz reflejado por el espejo cae en una escala graduada a través de la habitación, actuando como un puntero largo sin masa. El galvanómetro de espejo se usó como receptor en los primeros cables telegráficos submarinos transatlánticos en la década de 1850, para detectar los pulsos de corriente extremadamente débiles después de su viaje de mil millas bajo el Atlántico. En un dispositivo llamado oscilógrafo, se usa el haz de luz en movimiento para producir gráficos de corriente versus tiempo, registrando mediciones en una película fotográfica. El galvanómetro de cuerda es un tipo de galvanómetro de espejo tan sensible que se utilizó para realizar el primer electrocardiograma de la actividad eléctrica del corazón humano.

Galvanómetro balístico

Un galvanómetro balístico es un tipo de galvanómetro sensible para medir la cantidad de carga descargada a través de él. Es un integrador, en virtud de la constante de tiempo largo de su respuesta, a diferencia de un galvanómetro de medición de corriente. La parte móvil tiene un gran momento de inercia que le otorga un período de oscilación lo suficientemente largo como para realizar la medición integrada. Puede ser del tipo bobina móvil o imán móvil; comúnmente es un galvanómetro de espejo.