Galvanómetro

De Wikipedia, la enciclopedia libre
Saltar a navegación , búsqueda
D'Arsonval / Weston galvanómetro movimiento - con la bobina móvil se muestra en color naranja.

Un galvanómetro es un tipo de sensible amperímetro : un instrumento para la detección de corriente eléctrica . Es un análogo de electromecánico transductor 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 utilizados para detectar y medir las corrientes eléctricas. Galvanómetros sensibles fueron utilizados para detectar las señales de los cables submarinos largos, y se utilizaron para descubrir la actividad eléctrica del corazón y el cerebro. Algunos galvanómetros utiliza un puntero sólido en una escala para mostrar las mediciones, otros tipos muy sensible utilizado 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 fueron desarrollados 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 en la grabación, la posición y servomecanismo equipo.

Contenido

[ editar ] Historia

La desviación de un compás magnético de la aguja corriente en un alambre fue descrita por primera vez por Hans Oersted en 1820. El fenómeno fue estudiado tanto por sí mismo y como un medio para medir la corriente eléctrica. El primer galvanómetro fue reportado 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 aumentó 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, se deriva del apellido del investigador italiano de electricidad Luigi Galvani , quien descubrió en 1791 que la corriente eléctrica podría hacer una rana tirón en la pierna.

Originalmente, los instrumentos se basaron en el campo magnético de la Tierra para proporcionar la fuerza de recuperación para la aguja de la brújula, los cuales fueron llamados "tangentes" galvanómetros y tuvo que ser orientado antes de su uso. Más tarde, los instrumentos de la "astático" tipo utilizado imanes contrapuestos para convertirse en independiente del campo de la Tierra y podría operar en cualquier orientación. La forma más sensible, el galvanómetro de Thompson o el espejo, fue inventado por William Thomson (Lord Kelvin) y patentado por él en 1858. En lugar de una aguja de brújula, se utilizan pequeños imanes unidos a un espejo ligero pequeño, suspendido de un hilo; la deflexión de un haz de luz ampliada en gran medida de la deflexión debida a corrientes pequeñas. 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 la tensión a través de un conductor es directamente proporcional a la corriente a través de él.

La temprana de imán móvil forma 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-Arsène d'Arsonval y Deprez Marcel desarrollado un formulario con un imán estacionario permanente y una bobina de alambre en movimiento, suspendido por hilos finos que proporcionan tanto una conexión eléctrica a la bobina y el par antagonista para volver a la posición cero. Un tubo de hierro dentro de la bobina concentrada el campo magnético. Un espejo unido a la bobina desvía un rayo de luz para indicar la posición de la bobina. El campo magnético concentrado y la suspensión delicado hecho estos instrumentos sensibles; d'instrumento Arsonval's inicial podría detectar diez microamperios. [1]

Edward Weston ampliamente mejorado el diseño. Se sustituye la suspensión de alambre fino con un pivote, y la restauración del par proporcionado y las conexiones eléctricas a través de muelles en espiral y no como las de un reloj de pulsera volante . Se desarrolló un método para estabilizar el campo magnético del imán permanente, de modo que el instrumento tiene una precisión consistente a través del tiempo. Se sustituye el haz de luz y el espejo con un puntero de filo de cuchilla, lo que podría ser leídos directamente; un espejo debajo del puntero y en el mismo plano que la escala eliminado paralaje error en 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 entrehierro y suave piezas polares de hierro; esto hizo que la deflexión del instrumento más lineal con respecto a la corriente de bobina. Por último, la bobina se enrolla en una luz ex-hecha de metal conductor, que actúa como un amortiguador. En 1888 Edward Weston había patentado y llevó a cabo una presentación comercial de este instrumento, que se convirtió en un componente estándar en los equipos eléctricos. Era conocido como el "portátil" instrumento debido a que se vio poco afectada por la posición de montaje o de transportarlo de un lugar a otro. Este diseño es casi universalmente utilizado en bobina móvil metros hoy.

[ editar ] Funcionamiento

D'Arsonval / Weston galvanómetro movimiento (ca. 1900). Parte de la izquierda imán pieza polar está dividida para mostrar la bobina.

El uso más conocido es como un instrumento de medición analógico, a menudo llamado un metro. Se utiliza para medir la corriente directa (flujo de carga eléctrica) a través de un circuito eléctrico. El D'Arsonval / Weston forma utilizada hoy 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 resorte de torsión pequeña tira de la bobina y el puntero a la posición cero.

Cuando una corriente directa (DC) fluye a través de la bobina, la bobina genera un campo magnético. Este campo actúa contra el imán permanente. Los giros de la 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 de la aguja es proporcional a la corriente. Un metro útil generalmente contiene disposición para amortiguar la resonancia mecánica de la bobina móvil y 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 (con una caída de tensión de, por ejemplo, 50 milivoltios a plena intensidad). Tales metros son a menudo calibrado para leer alguna otra cantidad que se puede convertir en una corriente de esa magnitud. El uso de divisores de corriente, a menudo llamados shunts , permite un metro para ser calibrado para medir 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 de escala completa. Un medidor puede ser configurado para leer otros voltajes poniéndolo en un circuito divisor de tensión. Esto se realiza generalmente mediante la colocación de un resistor en serie con la bobina de metros. Un metro puede ser utilizado para leer la resistencia al colocarlo en serie con una tensión conocida (una batería) y una resistencia ajustable. En una etapa preparatoria, el circuito se cierra y la resistencia ajustada para producir desviación de escala completa. Cuando una resistencia desconocida se coloca en serie en el circuito de la corriente será menor que la escala completa y una escala de calibrado apropiadamente puede mostrar el valor de la resistencia previamente desconocida.

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

[ editar ] Tipos

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

[ edit ] galvanómetro de tangente

Dibujo. La característica destacada es un anillo vertical visto desde el frente. Está montado en un disco horizontal que tiene conectores eléctricos. Una brújula horizontal está montado en el centro del anillo.
Galvanómetro de tangente hecha por JH Bunnell Co. alrededor de 1890.

Un galvanómetro de tangente es un primer instrumento de medición utilizado para la medición de la corriente eléctrica . Funciona utilizando una brújula aguja para comparar un campo magnético generado por la corriente desconocida para el campo magnético de la Tierra. Se debe su nombre a su principio de funcionamiento, la ley tangente de magnetismo, que establece que la tangente del ángulo de una aguja de brújula hace es proporcional a la relación de las fuerzas 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 una circular no magnético marco. 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. Una caja del compás se monta horizontalmente en el centro de una escala circular. Se compone de una aguja pequeña y potente 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 largo delgada de aluminio 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 funcionamiento, el instrumento se gira primero hasta que el campo magnético de la Tierra, indicado por la aguja de una brújula, es paralelo con el plano de la bobina. Entonces, la corriente desconocido 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 escala de la brújula, la corriente se puede encontrar a partir de una tabla. [2] Los cables de suministro de corriente tiene que ser enrollado en una hélice pequeña, como una cola de cerdo, de lo contrario el campo debido al alambre afectará la brújula aguja y una lectura incorrecta se obtendrá.

[ editar ] Teoría

Photograph. La característica más prominente es un caso horizontal brújula circular que se ve desde arriba. La brújula está centrado dentro de un anillo negro con una sección transversal cuadrada. La brújula y el anillo están soportadas sobre un trípode de bronce que ha tornillos de nivelación como sus pies.
Vista superior de un galvanómetro de tangente hecha alrededor de 1950. La aguja del indicador de la brújula es perpendicular a la aguja más corta, magnético negro.

El galvanómetro está orientada de manera que el plano de la bobina es vertical y alineada a lo largo paralelo a la componente horizontal \ Mathbf {{}} B_H del campo magnético de la Tierra (es decir, paralela a la local "meridiano magnético"). Cuando fluye una corriente eléctrica a través de la bobina de galvanómetro, un campo magnético segunda \ Mathbf {{B}} se crea. 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:

B = {\ nI mu_0 \ sobre 2r} \,

donde Yo 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 añadir vectorialmente , y los puntos de aguja de la brújula a lo largo de la dirección de su resultante \ Mathbf {{}} B_H + \ mathbf {{B}} . La corriente en la bobina hace que la aguja de brújula para girar en un ángulo \ Theta :

\ Theta = \ tan ^ {-1} \ frac {B} {B_H} \,

De la ley de tangente, B = B_H \ tan \ theta \, , Es decir,

{\ NI mu_0 \ sobre 2r} = B_H \ tan \ theta \,

o

I = \ left (\ frac {2rB_H} {\ mu_0 n} \ right) \ tan \ theta \,

o I = K \ tan \ theta \, , Donde K se llama el factor de reducción del galvanómetro de tangente.

Un problema con el galvanómetro de tangente es que su resolución se degrada a ambas corrientes altas y bajas corrientes. La resolución máxima se obtiene cuando el valor de \ Theta es 45 °. Cuando el valor de \ Theta está cerca de 0 ° ó 90 °, un gran porcentaje de cambio en el actual sólo se moverá la aguja unos pocos grados. [ cita requerida ]

[ editar ] 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 usa 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 primero alineadas de manera que la bobina es paralelo al campo geomagnético, cuya dirección está indicada por la brújula cuando no hay corriente a través de las bobinas. La batería se conecta y el reostato se ajusta hasta que la aguja se desvía 45 grados desde el 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 ser calculado a partir de la corriente medida por el amperímetro, el número de vueltas de la bobina, y el radio de las bobinas.

[ edit ] galvanómetro Astatic

Galvanómetro Astatic.

El galvanómetro astático fue desarrollado por Leopoldo Nobili en 1825. [3]

A diferencia de un galvanómetro de aguja de brújula, el galvanómetro astatic tiene dos agujas magnéticas paralelas entre sí, pero a la inversa con los polos magnéticos. El conjunto de aguja está suspendida por un hilo de seda, y no tiene ninguna red de momento dipolar magnético. No se ve afectada 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.

[ edit ] galvanómetro Mirror

Thompson refleja galvanómetro.

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 puntero largo, sin masa. Estos instrumentos fueron utilizados como receptores de los primeros sistemas telegráficos transatlánticos, por ejemplo. El haz de luz en movimiento también se podría utilizar 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 un tipo de galvanómetro de espejo tan sensible que se utilizó para hacer la primera electrocardiograma de la actividad eléctrica del corazón humano.

[ edit ] galvanómetro balístico

Un galvanómetro balístico es un instrumento con una alta inercia, dispuestos de manera que su desviación es proporcional a la carga total enviada a través de la bobina del medidor.

[ editar ] Usos

Una unidad de exposición automática de una 8 mm cámara de película , basado en un mecanismo galvanómetro (centro) y un CdS fotorresistencia en la abertura a la izquierda.
Modern circuito cerrado galvanómetro impulsado por láser de barrido espejo de Scanlab.

[ edit ] usos anteriores

Un uso importante a principios de galvanómetros era para buscar un fallo en los 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 galvanómetros fue el movimiento tipo D'Arsonval / Weston utilizado en medidores analógicos en equipos electrónicos. Desde la década de 1980, los movimientos de tipo galvanómetro metros analógicos han sido desplazados por los convertidores de analógico a digital (ADC) para algunos usos. Un medidor de panel digital (DPM) contiene un convertidor analógico a 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 puede favorecer la aplicación de los movimientos de metros analógicas.

Mecanismos galvanómetro también fueron utilizados para colocar las plumas en bandas analógicas registradores tal como se utiliza en electrocardiógrafos , electroencefalogramas y polígrafos . [ cita requerida ] Registradores de la gráfica con plumas galvanómetro impulsadas puede tener una escala de respuesta de frecuencias de 100 Hz y la deflexión varios centímetros. El mecanismo de escritura puede ser una punta caliente en la escritura de la aguja en papel sensible al calor, o una pluma de tinta vacío alimentado. En algunos tipos de la pluma es continuamente presionada contra el papel, por lo que el galvanómetro debe ser lo suficientemente fuerte como para mover el lápiz contra la fricción del papel. En otros tipos, tales como las grabadoras de Rustrak, la aguja es sólo intermitentemente presionado contra el medio de escritura, en ese momento, la impresión se hace y luego 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 necesita ser especialmente fuerte. [ cita requerida ]

Mecanismos galvanómetro se utilizaron también en los mecanismos de exposición en cámaras de película. [ cita requerida ]

[ edit ] usos modernos

Los usos más modernos para el mecanismo del galvanómetro se encuentran en los sistemas de posicionamiento y control [. cita requerida ] 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. [ cita requerida ]

Sistemas de espejo del galvanómetro se utilizan como el posicionamiento del haz o los elementos de viga de dirección en sistemas de barrido láser . [ citación necesaria ] Por ejemplo, para el procesamiento de materiales con láseres de alta potencia, galvanómetro de espejo son típicamente altos mecanismos galvanómetro de potencia utilizados con bucle cerrado servo sistemas de control. Los más nuevos galvanómetros diseñados para aplicaciones de orientación del haz puede tener respuestas de frecuencia superior a 10 kHz con tecnología servo apropiado. Ejemplos de fabricantes de dichos sistemas son Cambridge Technology Inc. (www.camtech.com) - ahora parte de General Scanning (www.gsig.com) - y Scanlab (www.scanlab.de). Lazo cerrado galvanómetros de espejo se utiliza también en la estereolitografía , en la sinterización por láser , en el grabado láser , en la soldadura por láser de haz , en láser TV , en pantallas láser , y en aplicaciones de imagen tales como Tomografía de Coherencia Óptica (OCT) de escaneo de retina. Casi todos estos galvanómetros son del tipo de imán móvil. [ cita requerida ]

Lazo abierto, o galvanómetros de espejo resonante, se utilizan principalmente en los escáneres de código de barras basados ​​en láser, en algunas máquinas de impresión, en algunas aplicaciones de imagen, en aplicaciones militares, y en los sistemas espaciales. Sus rodamientos no lubricados son especialmente de interés en aplicaciones que requieren un alto vacío . [ cita requerida ]

Un mecanismo galvanómetro se utiliza para los servos de cabeza de posicionamiento en unidades de disco duro y reproductores de CD y DVD. Estos son todos del tipo de bobina móvil, con el fin de mantener la masa, y así acceder a veces, tan bajo como sea posible. [ citación necesaria ]

[ editar ] Véase también

[ editar ] Referencias

  1. ^ Joseph F. Keithley La historia de las medidas eléctricas y magnéticas: desde 500 aC hasta la década de 1940, John Wiley and Sons, 1999 ISBN 0-7803-1193-0 , páginas 196-198
  2. ^ galvanómetro de tangente
  3. ^ Greenslade, Thomas. "Instrumentos para la Filosofía Natural - Lente de Astatic" . Kenyon Consultado el 12/19/2010.

[ editar ] Enlaces externos