Galvanómetro
Un galvanómetro es un
dispositivo electromecánico en el cual se produce un par útil como resultado de
la interacción entre una corriente eléctrica, que pasa por la bobina del
instrumento y del campo magnético existente en el medio ambiente de la bobina.
Existen muchos tipos diferentes de galvanómetros. Nosotros estudiaremos el
galvanómetro de d'Arsonval que pertenece al tipo de bobina móvil e imán
permanente (IPBM).
Las propiedades más
destacadas de este movimiento son las siguientes:
- - Muy bajo consumo de potencia.
- - Requiere de baja corriente para la deflexión
a plena escala (Ifsd).
- - La operación del instrumento está
relativamente libre de efectos de campos magnéticos parásitos.
- - Escala uniforme.
- - Amplio margen de sensibilidad.
- - Características dinámicas que permite una
rápida velocidad de respuesta a un cambio dado en la corriente, y la capacidad
de ser amortiguado críticamente.
- - Bajo costo.
Descripción
del movimiento
En las figuras se
muestran dos versiones diferentes del instrumento de d'Arsonval. Aunque los dos
movimientos representados son muy diferentes en detalles pero fundamentalmente
son iguales en principio y tienen los siguientes elementos en común:
1)
Una bobina móvil.
2)
Un campo magnético estacionario.
3)
Un dispositivo que produce un par
recuperador sobre la bobina.
4)
Medios para detectar la deflexión
angular de la bobina.
En ambos casos los
movimientos emplean bobinas compactas de muchas vueltas, y es un imán permanente
el que proporciona el campo magnético estacionario, con un núcleo dentro de la
bobina (pero no unido físicamente a ella); para dar un campo concentrado de características
apropiadas.
En el caso del
galvanómetro de espejo, la bobina móvil puede colgar libremente de una
suspensión de hilo, de manera que pueda girar alrededor de su eje. La
suspensión filamentar da también un par recuperador o par de torsión, para contrarrestar
la rotación de la bobina producida por el paso de una corriente por ella. La suspensión
se emplea también como conductores de la corriente que pasa por la bobina. La posición
angular de la bobina puede determinarse por medios ópticos. Un pequeño espejo,
unido rígidamente a la bobina, forma parte del sistema óptico, que comprende
también un anteojo y una escala. La escala está iluminada, y los rayos de luz llegan
al espejo a través de la escala, y de allí al anteojo, donde el observador ve
la imagen de la escala.
En la versión
portátil de este galvanómetro, la bobina móvil pivota sobre dos cojinetes de
zafiro de muy pequeña fricción y puede girar libremente. El par recuperador se consigue
por medio de muelles en espiral unidos a ambos extremos de la bobina y sujetos por
el otro extremo a la armadura del instrumento. La corriente llega a la bobina a
través de los muelles recuperadores, y los dos extremos del circuito salen al
exterior por un par de terminales. La rotación de la bobina se indica
directamente sobre una escala por medio de una aguja indicadora, rígidamente
unida a la bobina.
Principios
Físicos de funcionamiento del Galvanómetro
Existen dos orígenes
diferentes de las fuerzas eléctricas que se ejercen sobre una carga eléctrica.
Son llamados: “fuerza electrostática” y “fuerza magnética”. Los dos campos vectoriales
son: la intensidad de campo eléctrico E [voltio/metro], y la densidad de flujo magnético,
B [weber]. La fuerza instantánea sobre una carga puntual de q coulombs, que se mueve
con una velocidad de v [m/seg], está relacionada con los dos campos por la ley
En el caso particular de que las
cargas eléctricas se muevan dentro de un conductor, como en la bobina del
galvanómetro, la ley de fuerza puede formularse en función de la corriente de
conducción en lugar de la carga.
La magnitud de la fuerza total
ejercida sobre una bobina de n vueltas es:
y su dirección es mutuamente
perpendicular a B y al lado de la bobina L.
En la versión más
popular del instrumento de d'Arsonval se emplea un campo radial uniforme como
se muestra en la Fig.3-4, lo que conduce a una escala uniforme. Otra ventaja de
esta construcción es que el campo B es menos susceptible a efectos magnéticos
erráticos externos que en el caso de que no haya núcleo central. La forma del
campo se consigue empleando piezas polares curvadas y un núcleo central
proyectado de manera que el campo en el entrehierro sea radial. Un campo radial
uniforme es constante en magnitud en todas partes dentro de la región de la
bobina, y de dirección variable.
La
revisión del análisis de la fuerza ejercida sobre un lado de la bobina, en el
caso de campo uniforme, revela que la magnitud de la fuerza viene dada por la
misma expresión en el caso del campo radial uniforme. Sin embargo, en el caso
de la Fig. 3-4, la dirección de la fuerza sobre el lado de la bobina depende
del ángulo de giro de la bobina. f permanece
perpendicular al plano de la bobina para todo q dentro
del campo de trabajo del campo radial. Por tanto, la magnitud del par que actúa
sobre la bobina, debido a las fuerzas f en
los lados de la bobina, viene dado en este caso simplemente por T = fW. El
brazo de palanca es constante para cualquier q.
El
hecho esencial conseguido por el campo radial es evitar el brazo de palanca
variable, manteniendo la dirección de la fuerza perpendicular al plano de la
bobina.
La
igualdad de los pares que actúan sobre la bobina, empleando un par recuperador
Tr = Sq, donde S es
la cte. lineal del resorte, da ahora fW = Sq. Con fW =
nBIA, la ley de deflexión del galvanómetro de
campo radial uniforme es
La
constante del aparato K viene dada por la misma expresión que en el caso de campo
uniforme. Las lecturas de la escala son ahora proporcionales a I.
Por
todo lo planteado anteriormente se construye el galvanómetro d’Arsonval de modo
que la bobina se encuentre suspendida en un campo magnético de un imán permanente,
con forma de herradura, tal que generará un campo radial. Como se puede observar
en la Fig. 3-5. La bobina es suspendida de tal manera que puede girar
libremente en el campo magnético. Cuando la corriente fluye por la bobina, se
desarrolla un par electromagnético y la bobina gira.
Escribiendo
la ecuación (anterior) en función del par, obtenemos
T
= n
AI B
La
ecuación indica que el par desarrollado es directamente proporcional a la densidad
de flujo del campo B en el cual la bobina gira, la corriente I en la bobina y
las constantes de la bobina (área A y numero de vueltas n). Dado que la
densidad de flujo y el área de la bobina son parámetros fijos para cada
instrumento, el par desarrollado es una indicación directa de la corriente en
la bobina.
El
par electromagnético es contrarrestado por el par mecánico de los resortes de control
sujetos a la bobina móvil. Cuando los pares se equilibran, la posición angular
de la bobina móvil es indicada por una aguja con respecto a una referencia
fija, llamada escala.
Comportamiento Dinámico
El
comportamiento dinámico de un galvanómetro se puede observar mediante interrupciones
repentinas de la corriente aplicada, de manera que la bobina regresará de su posición
deflectada a su posición cero. Esto se reconoce como resultado de la inercia
del sistema móvil, la aguja pasará por la marca cero en dirección opuesta, y
después oscilará alrededor de cero. Estas oscilaciones se reducen de manera
gradual debido al amortiguamiento del elemento móvil y finalmente la aguja
llega a su estado de reposo en cero.
Tres
cantidades caracterizan el movimiento de la bobina móvil en el campo magnético:
· El momento de inercia (J) de la bobina móvil
sobre el eje de rotación.
· El par opuesto (S) desarrollado por la
suspensión de la bobina.
· La constante de amortiguamiento (D).
La
ecuación diferencial que relaciona estos tres factores tiene tres posibles soluciones,
y cada una describe el comportamiento dinámico de la bobina en función del ángulo
de deflexión q. Estas respuestas se conocen como (Fig. 3-6):
I. Sobreamortiguado, es aquel donde la
bobina regresa lentamente a su posición estable sin sobrepaso ni oscilaciones.
II. Subamortiguado es aquel donde el
movimiento de la bobina está sujeto a las oscilaciones senoidales amortiguadas.
La razón con la que desaparecen tales oscilaciones se determina con la
constante de amortiguamiento (D), el momento de inercia (J) y el contrapar (S)
producido por la suspensión de la bobina.
III. Críticamente amortiguado en el cual la
aguja regresa con rapidez a su posición estable, sin oscilaciones.
Idealmente,
la respuesta del galvanómetro debería hacer que la aguja llegara a su posición
final sin sobretiro; de esta forma el movimiento sería críticamente
amortiguado. En la práctica, el galvanómetro es un tanto subamortiguado, lo que
causa un sobretiro de la aguja poco después de llegar al reposo.
El
amortiguamiento del galvanómetro se logra por dos medios: mecánico y electromagnético.
El amortiguamiento mecánico es producido principalmente por el movimiento de la
bobina a través del aire que la rodea lo que es independiente de la corriente
eléctrica que circule por la bobina. La fricción del movimiento en sus cojinetes
y la flexión de los resortes de suspensión causada por la bobina giratoria
también contribuyen a los efectos de amortiguamiento mecánico. El amortiguamiento
electromagnético es causado por los efectos inducidos en la bobina móvil
conforme gira en el campo magnético, dado que la bobina forma parte de un
circuito eléctrico cerrado.
En
general el IPBM se construye con el menor amortiguamiento posible, y luego de acuerdo
a la necesidad se aumenta el mismo. Esto se logra por ejemplo conectando una resistencia
a través de la bobina, en ésta se genera un par opuesto que amortigua el
elemento móvil.
Para cualquier galvanómetro se puede encontrar un valor de este resistor
que logre el amortiguamiento crítico (Resistencia externa de amortiguamiento
crítico).
Tipos
de Galvanómetros
1 1 - GALVANÓMETRO
D´ARSONVAL DE BOBINA MOVIL:
Funciona
con base en el efecto electromagnético F=NBiL. En su forma mas sencilla, el
medidor de bobina móvil consta de una bobina de alambre muy fino devanado sobre
marco de aluminio ligero. Un imán permanente rodea a la bobina y el marco de
aluminio está montado sobre pivotes de que posibilitan que gire libremente,
junto con la bobina, entre los polos del imán permanente. Cuando hay corriente
en la bobina, ésta se magnetiza y su polaridad es tal que el campo del imán permanente lo repele.
1 2- GALVANÓMETRO
DE HIERRO MOVIL.
Hay
dos tipos básicos de medidor de hierro móvil, uno basado en la atracción magnética y el otro en
repulsión magnética.
Con
el instrumento de tipo atracción, el campo magnético de la bobina atrae un
disco de hierro dulce que pivota. El par resultante de esta atracción es
proporcional al cuadrado de la corriente a través de la bobina. El tipo de
repulsión cuando dos piezas de hierro dulce se colocan paralelas y se introducen
en un campo magnético, ambas se imantarán con las polaridades, lo que origina
que entre ellas se produzca una fuerza de repulsión. Este fenómeno se aplica a
esta variación del galvanómetro
Existen
tres tipos de galvanómetros que utilizan este principio:
- - Galvanómetro
de paleta radial
- - Galvanómetro
de alabes concéntricos
- - Galvanómetro
de émbolo
2.1-
GALVANÓMETRO DE PALETA RADIAL
Como veremos en la figura, los medidores de
paleta radial son piezas rectangulares que fueron introducidas como núcleo en
una bobina. Una de las paletas está fija y la otra puede girar libremente
mediante un dispositivo; además, a la paleta libre se le coloca la aguja
marcadora de la magnitud proporcional a su movimiento, lo que ocasiona la
repulsión con la que está fija.
2.3- GALVANOMETRO DE EMBOLO.
El otro tipo de émbolo móvil consiste en un núcleo móvil de hierro que
esta colocado, en su inicio, dentro de una bobina fija; en su extremo exterior
se coloca la aguja indicadora. Cuando por la bobina circula corriente se forma
el campo magnético y atrae el embolo, la fuerza de atracción será proporcional
a la corriente que produce el campo. El medidor que combina ambas formas
(electromagnéticas y térmicas), es el termopar
USOS
DEL GALVANOMETRO COMO VOLTIMETRO.
RESISTENCIA
MULTIPLICADORA
La
adición de una resistencia en serie o multiplicador convierte al movimiento básico
d'Arsonval en un voltímetro de cc, como se muestra en la Fig. 3-15. La
resistencia multiplicadora limita la corriente a través del movimiento de forma
que no exceda el valor de la corriente de deflexión a plena escala. Un voltímetro
de cc mide la diferencia de potencial entre dos puntos en un circuito de cc y
por lo tanto se debe conectar a través de una fuente fem o de un componente del
circuito. En este tipo de conexión de debe observar la polaridad.
El
valor de la resistencia multiplicadora necesaria para la escala de voltaje se
calcula en base a la Fig. 3-15, donde:
- Im
= corriente de deflexión a plena escala del movimiento
- Rm
= resistencia interna del movimiento
- Rs
= resistencia multiplicadora o serie
- V
= voltaje a plena escala del instrumento
En
la siguiente figura se presenta un esquema que representa el uso del
galvanómetro como instrumento de medir voltaje, un voltímetro.
USOS
DE GALVANOMETRO COMO AMPERIMETRO
El
movimiento básico de un amperímetro cc es un galvanómetro IPBM. Puesto que el
devanado de la bobina del movimiento básico es pequeño y ligero, sólo puede
conducir corrientes muy pequeñas. Cuando se miden corrientes elevadas es
necesario desviar la mayor parte de la corriente por una resistencia, llamada
de derivación (shunt).
La
resistencia de derivación se calcula aplicando un análisis convencional de circuitos a la Fig. 3-11, donde:
- Rm
= resistencia interna del movimiento (la bobina)
- Rs
= resistencia de derivación o shunt
- Im
= corriente de deflexión a plena escala del movimiento.
- Is
= corriente de derivación
- I
= corriente a plena escala del amperímetro incluyendo la de derivación
En
la siguiente figura se muestra el esquema del amperímetro. Se ha construido con
el mismo galvanómetro usado para el voltímetro, pero en este caso, hay una
robusta resistencia eléctrica de muy bajo valor conectada en paralelo con el
galvanómetro.
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