Galvanómetro, Historia, Operación, Tipos, Utiliza

Un galvanómetro es un tipo de amperímetro sensible: un instrumento para la detección de corriente eléctrica. Es un transductor electromecánico analógico que produce una deflexión giratoria de algún tipo de puntero en respuesta a la corriente eléctrica que fluye a través de su bobina en un campo magnético.

Galvanómetros fueron los primeros instrumentos que se utilizan para detectar y medir las corrientes eléctricas. Galvanómetros sensibles se usan para detectar señales de los cables submarinos largos, y se utilizaron para descubrir la actividad eléctrica del corazón y el cerebro. Algunos galvanómetros utilizan un puntero sólido en una escala para mostrar las mediciones, otros tipos muy sensibles utilizan un pequeño espejo y un haz de luz para proporcionar la amplificación mecánica de las señales pequeñas. Inicialmente un instrumento de laboratorio confiar en el propio campo magnético de la Tierra para proporcionar fuerza de recuperación para el puntero, galvanómetros se desarrollaron en instrumentos compactos, resistentes y sensibles portátiles que eran esenciales para el desarrollo de la electrotecnia. Un tipo de galvanómetro que las mediciones registradas permanentemente fue el registrador de gráficos. El término se ha ampliado para incluir los usos del mismo mecanismo de grabación, posicionamiento y servomecanismos equipo.

Historia

La desviación de una aguja de la brújula magnética de corriente en un alambre fue descrita por primera vez por Hans Oersted en 1820 - El fenómeno fue estudiado tanto por su propio bien y como un medio para medir la corriente eléctrica. El primer galvanómetro fue reportada por Johann Schweigger en la Universidad de Halle el 16 de septiembre 1820 - André-Marie Ampre también ha contribuido a su desarrollo. Los primeros diseños aumentaron el efecto del campo magnético debido a la corriente mediante el uso de múltiples vueltas de alambre; los instrumentos estaban en primera llamada "multiplicadores" debido a esta característica de diseño común. El término "galvanómetro", de uso común en 1836, fue derivado del apellido del italiano electricidad investigador Luigi Galvani, quien descubrió en 1791 que la corriente eléctrica puede hacer que la pierna tirón de una rana.

Originalmente, los instrumentos se basó en el campo magnético de la Tierra para proporcionar la fuerza de recuperación para la aguja de la brújula, que fueron llamados galvanómetros "tangentes" y tenía que estar orientado antes de su uso. Instrumentos del tipo "astática" Más tarde utilizaron oponerse imanes para independizarse del campo de la Tierra y que funcionará en cualquier orientación. La forma más sensible, el Thompson o espejo galvanómetro, fue mejorada por William Thomson desde el diseño inicial inventado en 1826 por Johann Christian Poggendorff. El diseño de Thomson, que patentó en 1858, fue capaz de detectar los cambios actuales muy rápidos. En lugar de una aguja de una brújula, que utiliza pequeños imanes unidos a un pequeño espejo ligero, suspendido de un hilo; la deflexión de un haz de luz aumentada en gran medida de la deflexión debida a las pequeñas corrientes. Alternativamente, la deflexión de los imanes suspendidos podría ser observada directamente a través de un microscopio.

La capacidad de medir cuantitativamente voltaje y la corriente permitido Georg Ohm para formular la ley de Ohm, que establece que el voltaje a través de un conductor es directamente proporcional a la corriente a través de él.

La forma de imán móvil temprana de galvanómetro tenía la desventaja de que se vio afectado por ningún imanes o masas de hierro cerca de ella, y su deflexión no era linealmente proporcional a la corriente. En 1882 Jacques-Arsne d'Arsonval y Marcel Deprez desarrollaron una forma con un imán permanente fijo y una bobina de alambre en movimiento, suspendida por cables finos que proporcionaron tanto una conexión eléctrica a la bobina y el par de la restauración para volver a la posición cero. Un tubo de hierro entre las piezas polares del imán define un hueco circular a través del cual los hace girar la bobina. Este vacío produce 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 desvía un haz de luz para indicar la posición de la bobina. El campo magnético concentrado y la suspensión delicada hicieron estos instrumentos sensibles; d'Arsonval's instrumento inicial podría detectar diez microamperios.

Edward Weston mejorado ampliamente el diseño. Reemplazó a la suspensión de alambre fino con un pivote, y siempre restaurar par y conexiones eléctricas a través de muelles en espiral y no como los de una rueda de reloj de pulsera. Se desarrolló un método para estabilizar el campo magnético del imán permanente, de modo que el instrumento tendría una precisión consistente a través del tiempo. Se sustituye el haz de luz y el espejo con un puntero en filo de cuchillo, que podría ser leído directamente; un espejo bajo el puntero y en el mismo plano que la escala elimina el error de paralaje en la observación. Para mantener la intensidad de campo, el diseño de Weston utiliza una ranura muy estrecha en la que se monta la bobina, con un mínimo de piezas polares de hierro de entrehierro y suave; esto hizo que la deflexión del instrumento más lineal con respecto a la corriente de la bobina. Por último, la bobina se enrolla en una luz-ex hecho de metal conductor, que actuó como un amortiguador. En 1888 Edward Weston había patentado y llevado a cabo una forma comercial de este instrumento, que se convirtió en un componente estándar en los equipos eléctricos. Era conocido como el instrumento "portable", ya que fue poco afectado por la posición de montaje o de transportarlo de un lugar a otro. Este diseño se utiliza casi universalmente en metros de bobina móvil de hoy.

Operación

El uso más conocido es como un instrumento de medición analógico, a menudo llamado un metro. Se utiliza para medir la corriente directa a través de un circuito eléctrico. El Arsonval/Weston forma D'utiliza hoy en día se construye con una pequeña bobina de alambre pivotante en el campo de un imán permanente. La bobina está unido a un puntero delgada que atraviesa una escala calibrada. Un muelle de torsión pequeña tira de la bobina y el puntero a la posición cero.

Cuando fluye una corriente continua a través de la bobina, la bobina genera un campo magnético. Este campo actúa contra el imán permanente. Las vueltas de bobina, empujando contra el muelle, y mueve el puntero. Los puntos de la mano en una escala que indica la corriente eléctrica. El cuidadoso diseño de las piezas polares se asegura de que el campo magnético es uniforme, de modo que la deflexión angular del puntero es proporcional a la corriente. Un medidor útil generalmente contiene disposición para amortiguar la resonancia mecánica de la bobina móvil y el puntero, de modo que el puntero se asienta rápidamente a su posición sin oscilación.

La sensibilidad básica de un metro podría ser, por ejemplo, 100 microamperios escala completa. Tales medidores están calibrados a menudo para leer algún otro cantidad que se puede convertir a una corriente de esa magnitud. El uso de divisores de corriente, a menudo llamados derivaciones, permite un metro a ser calibrado para medir las corrientes más grandes. Un medidor puede ser calibrado como un voltímetro de CC si la resistencia de la bobina se conoce mediante el cálculo de la tensión necesaria para generar una corriente a plena escala. Un medidor puede ser configurado para leer otros voltajes poniéndolo en un circuito divisor de tensión. Esto se realiza generalmente mediante la colocación de una resistencia en serie con la bobina de metros. Un metro puede ser usado para leer la resistencia mediante la colocación en serie con un voltaje conocido y una resistencia ajustable. En una etapa preparatoria, el circuito se completa y la resistencia ajusta para producir la deflexión de escala completa. Cuando se coloca una resistencia desconocida en serie en el circuito de la corriente será menor que la escala completa y una escala calibrada apropiadamente puede mostrar el valor de la resistencia previamente desconocido.

Debido a que la aguja del medidor es normalmente una pequeña distancia por encima de la escala del medidor, error de paralaje puede ocurrir cuando el operador intenta leer la línea de la escala que "alinea" con el puntero. Para contrarrestar esto, algunos metros incluyen un espejo a lo largo de las marcas de la escala de capital. La exactitud de la lectura de una escala de espejo se mejora por cabeza de posicionamiento de uno, mientras que la lectura de la escala de modo que el puntero y la reflexión del puntero están alineados; en este punto, el ojo del operador debe estar directamente encima del puntero y cualquier error de paralaje tiene ha minimizado.

Tipos

Hoy en día el principal tipo de mecanismo de galvanómetro todavía se utiliza es la bobina móvil D'Arsonval/Weston mecanismo, que se utiliza en medidores analógicos tradicionales.

Galvanómetro de tangente

Un galvanómetro de tangente es un instrumento de medición temprana utilizado para la medición de la corriente eléctrica. Funciona mediante el uso de una aguja de compás para comparar un campo magnético generado por la corriente desconocida para el campo magnético de la Tierra. Debe su nombre a su principio de funcionamiento, la ley tangente del magnetismo, que establece que la tangente del ángulo de una aguja de la brújula hace es proporcional a la relación de los puntos fuertes de los dos campos magnéticos perpendiculares. Fue descrita por primera vez por Claude Pouillet en 1837.

Un galvanómetro de tangente consta de una bobina de alambre de cobre aislado herida en un marco de no-magnético circular. El bastidor está montado verticalmente sobre una base horizontal provisto de tornillos de nivelación. La bobina se puede girar sobre un eje vertical que pasa por su centro. Un cuadro de brújula se monta horizontalmente en el centro de una escala circular. Se compone de una pequeña aguja de gran alcance, magnético pivota en el centro de la bobina. La aguja magnética es libre de girar en el plano horizontal. La escala circular se divide en cuatro cuadrantes. Cada cuadrante está graduado de 0 a 90. Un puntero de aluminio larga y delgada está unido a la aguja en su centro y en ángulo recto a la misma. Para evitar errores debidos a la paralaje, un espejo plano está montado por debajo de la aguja de la brújula.

En la operación, el instrumento es primero gira hasta que el campo magnético de la Tierra, indicado por la aguja de una brújula, es paralelo con el plano de la bobina. A continuación, 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 desvía a un ángulo igual a la tangente de la relación de los dos campos. Desde el ángulo de lectura de la escala de la brújula, la corriente se puede conocer a partir de una tabla. Los cables de suministro de corriente tienen que ser enrollada en una pequeña hélice, como la cola de un cerdo, de lo contrario el campo debido al alambre afectará a la aguja de la brújula y se obtiene una lectura incorrecta.

 Teoría

El galvanómetro está orientado de manera que el plano de la bobina es vertical y alineada a lo largo paralelo a la componente horizontal del campo magnético de la Tierra. Cuando una corriente eléctrica fluye a través de la bobina de galvanómetro, se crea un segundo campo magnético. 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:

donde es la corriente en amperios, es el número de espiras de la bobina y es el radio de la bobina. Estos dos campos magnéticos perpendiculares añadir vectorialmente, y los puntos de aguja de la brújula a lo largo de la dirección de su resultante. La corriente en la bobina hace que la aguja de una brújula para girar en un ángulo:

De la ley tangente, es decir,

o

o, donde K se llama el factor de reducción de la galvanómetro de tangente.

Un problema con el galvanómetro de tangente es que su resolución se degrada a ambas corrientes elevadas y corrientes bajas. Se obtiene la resolución máxima cuando el valor es de 45. Cuando el valor es de cerca de 0 o 90, un gran porcentaje de cambio en la corriente sólo se moverá la aguja unos pocos grados.

 Medición del campo geomagnético

Un galvanómetro de tangente también se puede utilizar para medir la magnitud de la componente horizontal del campo geomagnético. Cuando se utiliza de esta manera, una fuente de alimentación de bajo voltaje, tal como una batería, está conectado en serie con un reóstato, el galvanómetro, y un amperímetro. El galvanómetro está alineado primero de manera que la bobina es paralela al campo geomagnético, cuya dirección está indicada por la brújula cuando no hay corriente a través de las bobinas. La batería se conecta entonces y el reostato se ajusta 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 de la componente horizontal del campo geomagnético. Esta intensidad de campo puede calcularse a partir de la corriente medida por el amperímetro, el número de vueltas de la bobina, y el radio de las bobinas.

Galvanómetro Astatic

El galvanómetro astática fue desarrollado por Leopoldo Nobili en 1825.

A diferencia de un galvanómetro de aguja de brújula-, el galvanómetro astática tiene dos agujas magnéticas paralelas entre sí, pero con los polos magnéticos invierte. El conjunto de aguja está suspendida de un hilo de seda, y no tiene un momento dipolar magnético neto. No se ve afectado por el campo magnético de la tierra. La aguja inferior es el interior de las bobinas de detección de corriente y es desviado por el campo magnético creado por la corriente que pasa.

Galvanómetro de espejo

Equipo de medición extremadamente sensible, una vez utilizado galvanómetros de espejo que sustituían un espejo para el puntero. Un haz de luz reflejada desde el espejo actuó como un largo, puntero sin masa. Estos instrumentos fueron utilizados como receptores para principios de los sistemas de telégrafo trasatlántico, por ejemplo. El haz de luz en movimiento también podría ser utilizado para hacer un registro en una película fotográfica en movimiento, produciendo un gráfico de la corriente en función del tiempo, en un dispositivo llamado un oscilógrafo. El galvanómetro de cuerda era una especie de espejo del galvanómetro tan sensible que se utiliza para hacer el primer electrocardiograma de la actividad eléctrica del corazón humano.

Galvanómetro balístico

Un galvanómetro balístico es un instrumento con un alto momento de inercia, dispuesto de manera que su desviación es proporcional a la carga total enviado a través de la bobina del metro.

Utiliza

Usos anteriores

Un uso temprano importante para galvanómetros era para encontrar fallas en cables de telecomunicaciones. Ellos fueron reemplazados en esta solicitud a finales del siglo 20 por reflectómetros el dominio del tiempo.

Probablemente el mayor uso de los galvanómetros fue el movimiento de tipo D'Arsonval/Weston utilizado en medidores analógicos en equipos electrónicos. Desde la década de 1980, los movimientos de metro analógicas de tipo galvanómetro han sido desplazadas por convertidores analógico-digitales para algunos usos. Un medidor de panel digital contiene un convertidor analógico-digital y la pantalla numérica. Las ventajas de un instrumento digital son una mayor precisión y exactitud, pero los factores tales como el consumo de energía o coste todavía pueden favorecer la aplicación de los movimientos de metro analógicas.

Mecanismos Galvanómetro también fueron utilizados para colocar las plumas en grabadores gráficos analógicos que se usan en electrocardiógrafos, electroencefalogramas y polígrafos. Pele los registradores de carta con galvanómetro plumas impulsadas puede tener una respuesta de frecuencia de escala de 100 Hz y varios centímetros de desviación. El mecanismo de la escritura puede ser una punta caliente en el escrito de aguja en el papel sensible al calor, o una pluma de tinta alimentada hueco. En algunos tipos de la pluma se pulsa continuamente contra el papel, por lo que el galvanómetro debe ser lo suficientemente fuerte como para mover la pluma contra la fricción del papel. En otros tipos, tales como los registradores RUSTRAK, la aguja está sólo de forma intermitente presionado contra el medio de escritura; en ese momento, se hace una impresión y a continuación, se elimina la presión, permitiendo que la aguja se mueva a una nueva posición y se repite el ciclo. En este caso, el galvanómetro no tiene que ser especialmente fuerte.

Mecanismos Galvanómetro también fueron utilizados en los mecanismos de exposición en cámaras de película.

Usos modernos

Los usos más modernos para el mecanismo del galvanómetro se encuentran en los sistemas de posicionamiento y control. Mecanismos Galvanómetro se dividen en imán móvil y moviendo galvanómetros de bobina, además, que se dividen en lazo cerrado y lazo abierto - tipos - o resonante.

Sistemas galvanómetro de espejo se utilizan como el posicionamiento del haz o los elementos de orientación del haz de sistemas de escaneo láser. Por ejemplo, para el procesamiento de materiales con láseres de alta potencia, galvanómetro de espejo son típicamente mecanismos de galvanómetro de alta potencia utilizados con los sistemas de servo control de bucle cerrado. Los más nuevos galvanómetros diseñados para aplicaciones de orientación del haz pueden tener respuestas de frecuencia superior a 10 kHz con tecnología servo correspondiente. Ejemplos de fabricantes de este tipo de sistemas son Cambridge Technology Inc. - ahora parte de Scanning general - y Scanlab. Circuito cerrado galvanómetros de espejo también se utilizan en la estereolitografía, sinterización en láser, en el grabado láser, en la soldadura de rayo láser, en la televisión láser, en las pantallas láser, y en aplicaciones de imagen como la tomografía de coherencia óptica de escaneo de la retina. Casi todos estos galvanómetros son del tipo de imán móvil.

Lazo abierto, o resonantes galvanómetros de espejo, se utilizan principalmente en los escáneres de código de barras basados en láser, en algunas máquinas de impresión, en algunas aplicaciones de formación de imágenes, en aplicaciones militares, y en los sistemas espaciales. Sus rodamientos no lubricados son de especial interés en aplicaciones que requieren un alto vacío.

Un mecanismo del galvanómetro se utiliza para la cabeza servos posicionamiento en unidades de disco duro y reproductor de CD y DVD. Estos son todos del tipo de bobina móvil, con el fin de mantener la masa, y por lo tanto acceder a veces, tan bajo como sea posible.