Amperímetro
Um amperímetro (abreviação de Amperímetro) é um instrumento usado para medir a corrente em um circuito. As correntes elétricas são medidas em ampères (A), daí o nome. Para medição direta, o amperímetro é conectado em série com o circuito no qual a corrente deve ser medida. Um amperímetro geralmente tem baixa resistência para não causar uma queda de tensão significativa no circuito que está sendo medido.
Instrumentos usados para medir correntes menores, na faixa de miliamperes ou microamperes, são designados como miliamperímetros ou microamperímetros. Os primeiros amperímetros eram instrumentos de laboratório que dependiam do campo magnético da Terra para operar. No final do século XIX, foram projetados instrumentos aprimorados que podiam ser montados em qualquer posição e permitiam medições precisas em sistemas de energia elétrica. Geralmente é representado pela letra 'A' em um circuito.
História
A relação entre corrente elétrica, campos magnéticos e forças físicas foi observada pela primeira vez por Hans Christian Ørsted em 1820, que observou que a agulha de uma bússola foi desviada de apontar para o norte quando uma corrente fluiu em um fio adjacente. O galvanômetro tangente foi usado para medir correntes usando este efeito, onde a força restauradora que retorna o ponteiro à posição zero foi fornecida pelo campo magnético da Terra. Isso tornou esses instrumentos utilizáveis apenas quando alinhados com o campo da Terra. A sensibilidade do instrumento foi aumentada usando voltas adicionais de fio para multiplicar o efeito - os instrumentos foram chamados de "multiplicadores".
A palavra reoscópio como detector de correntes elétricas foi cunhada por Sir Charles Wheatstone por volta de 1840, mas não é mais usada para descrever instrumentos elétricos. A palavra maquiagem é semelhante à de reostato (também cunhada por Wheatstone), que era um dispositivo usado para ajustar a corrente em um circuito. Reostato é um termo histórico para uma resistência variável, embora reoscópio diferente ainda possa ser encontrado.
Tipos
Alguns instrumentos são medidores de painel, feitos para serem montados em algum tipo de painel de controle. Destes, o tipo plano, horizontal ou vertical é freqüentemente chamado de medidor edgewise.
Bobina móvel
Mola que fornece força de restauração
Esta ilustração é conceitual; em um medidor prático, o núcleo de ferro é estacionário, e as molas espiral frontal e traseira carregam corrente para a bobina, que é suportado em uma bobina retangular. Além disso, os pólos do ímã permanente são arcos de um círculo.
O galvanômetro D'Arsonval é um amperímetro de bobina móvel. Ele usa deflexão magnética, onde a corrente que passa por uma bobina colocada no campo magnético de um ímã permanente faz com que a bobina se mova. A forma moderna deste instrumento foi desenvolvida por Edward Weston e usa duas molas espirais para fornecer a força restauradora. O espaço de ar uniforme entre o núcleo de ferro e os pólos do ímã permanente torna a deflexão do medidor linearmente proporcional à corrente. Esses medidores têm escalas lineares. Os movimentos básicos do medidor podem ter deflexão em escala total para correntes de cerca de 25 microamperes a 10 miliamperes.
Como o campo magnético é polarizado, a agulha do medidor age em direções opostas para cada direção da corrente. Um amperímetro CC é, portanto, sensível a qual polaridade ele está conectado; a maioria é marcada com um terminal positivo, mas alguns têm mecanismos de centro zero e podem exibir correntes em qualquer direção. Um medidor de bobina móvel indica a média (média) de uma corrente variável através dela, que é zero para CA. Por esse motivo, os medidores de bobina móvel só podem ser usados diretamente para CC, não para CA.
Esse tipo de movimento do medidor é extremamente comum tanto para amperímetros quanto para outros medidores derivados deles, como voltímetros e ohmímetros.
Ímã em movimento
Os amperímetros de ímã móvel operam essencialmente com o mesmo princípio da bobina móvel, exceto que a bobina é montada na caixa do medidor e um ímã permanente move a agulha. Os amperímetros de ímã móvel são capazes de transportar correntes maiores do que os instrumentos de bobina móvel, muitas vezes várias dezenas de Ampères, porque a bobina pode ser feita de fio mais grosso e a corrente não precisa ser transportada pelas molas. De fato, alguns amperímetros desse tipo não possuem molas de cabelo, em vez disso, usam um ímã permanente fixo para fornecer a força restauradora.
Eletrodinâmica
Um amperímetro eletrodinâmico usa um eletroímã em vez do ímã permanente do movimento d'Arsonval. Este instrumento pode responder tanto à corrente alternada quanto à corrente contínua e também indica RMS verdadeiro para CA. Consulte Wattímetro para um uso alternativo para este instrumento.
Movendo-ferro
Amperímetros de ferro em movimento usam um pedaço de ferro que se move quando atuado pela força eletromagnética de uma bobina fixa de fio. O medidor de ferro móvel foi inventado pelo engenheiro austríaco Friedrich Drexler em 1884. Este tipo de medidor responde a correntes contínuas e alternadas (ao contrário do amperímetro de bobina móvel, que funciona apenas em corrente contínua). O elemento de ferro consiste em uma palheta móvel presa a um ponteiro e uma palheta fixa, cercada por uma bobina. À medida que a corrente alternada ou contínua flui através da bobina e induz um campo magnético em ambas as palhetas, as palhetas se repelem e a palheta móvel desvia contra a força restauradora fornecida por molas helicoidais finas. A deflexão de um medidor de ferro em movimento é proporcional ao quadrado da corrente. Conseqüentemente, tais medidores normalmente teriam uma escala não linear, mas as peças de ferro são geralmente modificadas em forma para tornar a escala bastante linear na maior parte de sua faixa. Instrumentos de ferro em movimento indicam o valor RMS de qualquer forma de onda CA aplicada. Os amperímetros de ferro móvel são comumente usados para medir a corrente em circuitos CA de frequência industrial.
Telefone direto
Em um amperímetro de fio quente, uma corrente passa por um fio que se expande à medida que aquece. Embora esses instrumentos tenham um tempo de resposta lento e baixa precisão, às vezes eles eram usados para medir a corrente de radiofrequência. Eles também medem o RMS verdadeiro para uma CA aplicada.
Digitais
Da mesma forma que o amperímetro analógico formou a base para uma ampla variedade de medidores derivados, incluindo voltímetros, o mecanismo básico para um medidor digital é um mecanismo de voltímetro digital, e outros tipos de medidores são construídos em torno dele.
Os projetos de amperímetro digital usam um resistor de derivação para produzir uma tensão calibrada proporcional ao fluxo de corrente. Essa tensão é então medida por um voltímetro digital, por meio do uso de um conversor analógico-digital (ADC); o mostrador digital é calibrado para exibir a corrente através do shunt. Esses instrumentos geralmente são calibrados para indicar o valor RMS apenas para uma onda senoidal, mas muitos projetos indicam RMS verdadeiro dentro das limitações do fator de crista da onda.
Integrando
Há também uma variedade de dispositivos chamados de amperímetros integradores. Nestes amperímetros a corrente é somada ao longo do tempo, dando como resultado o produto da corrente pelo tempo; que é proporcional à carga elétrica transferida com essa corrente. Estes podem ser usados para medir energia (a carga precisa ser multiplicada pela tensão para fornecer energia) ou para estimar a carga de uma bateria ou capacitor.
Picoamperímetro
Um picoamperímetro, ou picoamperímetro, mede corrente elétrica muito baixa, geralmente da faixa de picoampere na extremidade inferior até a faixa de miliamperes na extremidade superior. Picoamperímetros são usados onde a corrente sendo medida está abaixo dos limites de sensibilidade de outros dispositivos, como multímetros.
A maioria dos picoamperímetros usa um "curto virtual" técnica e têm várias faixas de medição diferentes que devem ser alternadas para cobrir várias décadas de medição. Outros picoamperímetros modernos usam compressão de log e um "dissipador de corrente" método que elimina a comutação de faixa e os picos de tensão associados. Considerações especiais de projeto e uso devem ser observadas para reduzir a corrente de fuga que pode atrapalhar as medições, como isoladores especiais e blindagens acionadas. O cabo triaxial é frequentemente usado para conexões de sonda.
Aplicativo
Os amperímetros devem ser conectados em série com o circuito a ser medido. Para correntes relativamente pequenas (até alguns amperes), um amperímetro pode passar toda a corrente do circuito. Para correntes contínuas maiores, um resistor shunt transporta a maior parte da corrente do circuito e uma pequena fração conhecida com precisão da corrente passa pelo movimento do medidor. Para circuitos de corrente alternada, um transformador de corrente pode ser usado para fornecer uma pequena corrente conveniente para acionar um instrumento, como 1 ou 5 amperes, enquanto a corrente primária a ser medida é muito maior (até milhares de amperes). O uso de um shunt ou transformador de corrente também permite a localização conveniente do medidor de indicação sem a necessidade de passar condutores de circuito pesado até o ponto de observação. No caso de corrente alternada, o uso de um transformador de corrente também isola o medidor da alta tensão do circuito primário. Um shunt não fornece tal isolamento para um amperímetro de corrente contínua, mas onde altas tensões são usadas, pode ser possível colocar o amperímetro no "retorno" lado do circuito que pode estar em baixo potencial em relação à terra.
Os amperímetros não devem ser conectados diretamente a uma fonte de tensão, pois sua resistência interna é muito baixa e o excesso de corrente fluiria. Os amperímetros são projetados para uma baixa queda de tensão em seus terminais, muito menos que um volt; as perdas extras do circuito produzidas pelo amperímetro são chamadas de "carga" no circuito medido (I).
Os movimentos comuns do medidor tipo Weston podem medir apenas miliampères no máximo, porque as molas e bobinas práticas podem transportar apenas correntes limitadas. Para medir correntes maiores, um resistor chamado shunt é colocado em paralelo com o medidor. As resistências dos shunts estão na faixa de miliohm inteiro a fracionário. Quase toda a corrente flui através do shunt e apenas uma pequena fração flui através do medidor. Isso permite que o medidor meça grandes correntes. Tradicionalmente, o medidor usado com um shunt tem uma deflexão em escala total (FSD) de 50 mV, então os shunts são normalmente projetados para produzir uma queda de tensão de 50 mV ao transportar sua corrente nominal total.
Para fazer um amperímetro multifaixa, uma chave seletora pode ser usada para conectar uma das várias derivações ao longo do medidor. Deve ser uma chave de fazer antes de quebrar para evitar surtos de corrente prejudiciais através do movimento do medidor ao alternar as faixas.
Um arranjo melhor é o shunt de Ayrton ou shunt universal, inventado por William E. Ayrton, que não requer um interruptor de fechamento antes da interrupção. Também evita qualquer imprecisão devido à resistência de contato. Na figura, assumindo, por exemplo, um movimento com tensão de fundo de escala de 50 mV e faixas de corrente desejadas de 10 mA, 100 mA e 1 A, os valores de resistência seriam: R1=4,5 ohms, R2=0,45 ohm, R3 = 0,05 ohm. E se a resistência de movimento for de 1000 ohms, por exemplo, R1 deve ser ajustado para 4,525 ohms.
Os shunts comutados raramente são usados para correntes acima de 10 amperes.
Os amperímetros de centro zero são usados para aplicações que exigem que a corrente seja medida com ambas as polaridades, comuns em equipamentos científicos e industriais. Amperímetros de centro zero também são comumente colocados em série com uma bateria. Nesta aplicação, a carga da bateria desvia a agulha para um lado da balança (normalmente, o lado direito) e a descarga da bateria desvia a agulha para o outro lado. Um tipo especial de amperímetro de centro zero para testar altas correntes em carros e caminhões tem uma barra magnética articulada que move o ponteiro e uma barra magnética fixa para manter o ponteiro centralizado sem corrente. O campo magnético ao redor do fio que transporta a corrente a ser medida desvia o ímã em movimento.
Como o shunt do amperímetro tem uma resistência muito baixa, conectar o amperímetro por engano em paralelo com uma fonte de tensão causará um curto-circuito, na melhor das hipóteses queimando um fusível, possivelmente danificando o instrumento e a fiação e expondo um observador a ferimentos.
Em circuitos CA, um transformador de corrente converte o campo magnético ao redor de um condutor em uma pequena corrente CA, normalmente 1 A ou 5 A na corrente nominal total, que pode ser facilmente lida por um medidor. De maneira semelhante, amperímetros CA/CC sem contato precisos foram construídos usando sensores de campo magnético de efeito Hall. Um amperímetro portátil portátil é uma ferramenta comum para manutenção de equipamentos elétricos industriais e comerciais, que é temporariamente preso a um fio para medir a corrente. Alguns tipos recentes têm um par paralelo de sondas magneticamente macias que são colocadas em ambos os lados do condutor.