Uso de un galvanómetro para detectar y medir la corriente eléctrica

Midiendo lo que no se puede ver

Hay una tubería de agua frente a ti. ¿Cómo sabes que hay agua fluyendo? Abra un grifo y vea si sale agua. Pero, ¿y si no puedes hacer eso? ¿Cómo conectaría esa tubería y mediría el agua que fluye a través de ella sin perturbar el flujo de agua? Se puede hacer, pero de forma indirecta utilizando un dispositivo para medir la presión en la tubería. Ésta es una analogía para medir la corriente eléctrica que fluye a través de un circuito eléctrico. ¿Qué pasa si no hay nada (como una bombilla encendida) que indique el flujo de corriente? Si hay corriente fluyendo, ¿cómo medimos cuál es la corriente? Los científicos desarrollaron una herramienta para medir la corriente llamada galvanómetro.

Un galvanómetro utiliza los principios de la electricidad y el magnetismo, y la teoría de circuitos para detectar y medir la corriente en un conductor (algo que conduce electricidad).

Cómo funciona un galvanómetro

Se envuelve un alambre alrededor de una pieza de hierro y se coloca entre dos imanes, de manera que los extremos opuestos de los imanes se enfrentan entre sí. Los extremos del cable están conectados a terminales donde se puede conectar un circuito.

Galvanómetro

Cuando la corriente eléctrica pasa a través de la bobina, se aplica un par de torsión al núcleo envuelto en alambre retorciéndolo. La cantidad de torsión es proporcional a la corriente a través del cable. La aguja se detiene cuando el par debido a la fuerza electromagnética es igual al par proporcionado por el resorte. Cuando se corta la corriente, el resorte devuelve la aguja a 0.

Deflexión a gran escala

La deflexión de escala completa es el rango de 0 a un valor máximo de corriente en el cable. Los circuitos pueden tener amperaje con valores muy pequeños que van desde nanoamperios (nA = 10 -9 A) hasta cientos de amperios. El resorte en el galvanómetro tiene un límite de cuánta fuerza se puede aplicar antes de que se rompa, por lo que el galvanómetro debe ajustarse para manejar una corriente mayor.

Medición de amperaje

El diseño de un galvanómetro requiere la determinación del rango de corrientes que puede medir. Cuando se va a medir una gran corriente, se gira un interruptor giratorio para activar una derivación , que es una resistencia especial con una resistencia mucho más baja que el núcleo envuelto en alambre. Hay varias escalas en el galvanómetro que permiten la medición de un rango de corrientes.

La resistencia significativamente menor de la derivación en comparación con la del bucle de cable permite que la mayor parte de la corriente pase a través de la derivación. La corriente más pequeña a través del dispositivo registra un valor que leería en la escala de amperaje más pequeña. Determinemos cómo calcular la resistencia de la derivación para reducir la deflexión.

Resistencia a la derivación

Digamos que estamos diseñando un galvanómetro para que tenga la capacidad de medir entre 0 y 10 mA usando dos escalas. El dial giratorio del galvanómetro tendrá dos configuraciones. El ajuste 1 será de 0 a 1 mA y el ajuste 2 será de 0 a 10 mA. La resistencia interna de la disposición de bucle de alambre es de 10 Ω y solo puede manejar 1 mA debido al resorte. Nuestro objetivo es determinar la resistencia de la derivación que necesitaremos para permitir el segundo rango de valores de corriente más grandes. Comencemos con un diagrama de circuito que muestra la resistencia interna del galvanómetro y la derivación cableada en paralelo con él.

Diagrama de circuito de shunt y galvanómetro

• I T es la corriente total
• I S es la corriente a través de la derivación
• I D es la corriente a través del dispositivo (galvanómetro)
• R S es la resistencia de la derivación
• R D es la resistencia del dispositivo

La ley del circuito de Kirchhoff para la corriente establece que cuando la corriente llega a una rama en un circuito se divide, pero la corriente total permanece igual. Según nuestro diagrama de circuito obtenemos

Corriente total en igual salida de corriente total

Dado que la derivación está en paralelo con la resistencia interna del galvanómetro, los voltajes a través de ellos son los mismos, lo que nos da

El voltaje en el cierre es igual al voltaje en el galvanómetro

La corriente máxima que el galvanómetro puede medir en la deflexión de escala completa es I d . El amperaje máximo en el circuito es I t . Ahora podemos calcular la resistencia de la derivación requerida para una corriente máxima en el circuito.

• I d, fs es la corriente a través del galvanómetro en la deflexión de escala completa.

Resolviendo la ecuación para la resistencia de la derivación, R s , obtenemos

Ahora, podemos calcular la resistencia de la derivación que necesitaremos.

El shunt debe tener una resistencia de 1,11 Ω para permitir medidas de corrientes entre 0 y 10 mA.

Resumen de la lección

Un galvanómetro es un dispositivo que mide la corriente eléctrica. Consiste en una masa de hierro sólido envuelta en alambre de cobre con una aguja unida a ella y colocada entre los extremos opuestos de dos imanes. Un resorte está unido al núcleo de hierro, y cuando hay corriente fluyendo a través del alambre, actúa un par de torsión del núcleo de hierro que mueve la aguja. Cuando la torsión en el núcleo de hierro no puede hacer que el resorte se estire más, la aguja deja de moverse y lo que apunta en la escala es la corriente.

Solo una pequeña corriente puede atravesar el dispositivo porque el resorte tiene un límite de cuánto puede estirarse antes de ser destruido. Para tener la capacidad de medir corrientes mayores, una derivación con una resistencia menor que el dispositivo se conecta en paralelo con el dispositivo. Esto hace que la corriente total a través del circuito se divida en la unión entre la derivación y el dispositivo, con la mayor parte de la corriente a través de la derivación. El galvanómetro tiene un interruptor giratorio que permite el acoplamiento de la derivación que coincide con la escala donde se lee la corriente. Por ejemplo, para corrientes entre 0 y 1 mA es el ajuste 1, y de 0 a 10 mA es el ajuste 2.

La ecuación para calcular la resistencia de la derivación requerida es