ESCUELA ESC UELA POLITÉCN POLITÉCNICA ICA NAC NACIONA IONAL L ELECTROTECNIA
GALVANÓMETR O Y AMPERÍMETRO
ABRIL 2009
1.EL 1. EL GALVANÓMETRO
1.1 Definición y Características: Es un aparato que se emplea para indicar el paso de corriente eléctrica por un circuito y para la medida precisa de su intensidad. Se basa en los efectos magnéticos o térmicos causados por el paso de la corriente. Constituye el principal componente utilizado en la construcción de amperímetros y voltímetros dada la característica esencial de un tipo común, conocido como GALVANÓMETRO D`ARSONVAL, cuya principal característica es producir la deflexión de una aguja cuando a través de él circula una corriente continua, proporcional a la magnitud de la variable que se está midiendo. Figura 1: Galvanómetro D`Arsonval
1.2 Elementos Básicos y Funcionamiento
La operación de este dispositivo se basa en la interacción de una corriente eléctrica DC y un campo magnético fijo. Los ELEMENTOS BÁSICOS son: - Una bobina móvil, a través de la cual circula circula la corriente DC. - Un imán, que produce el campo magnético fijo. - Un resorte, cuya función es servir de mecanismo equilibrador de la rotación de la bobina. - Una aguja indicadora sujeta a la bobina móvil y una escala
graduada mediante las cuales podemos realizar la lectura. En la Figura 2 se observa la ubicación de estos elementos. La bobina móvil se encuentra en el campo magnético fijo producido por el imán permanente.
1.2 Elementos Básicos y Funcionamiento
En términos generales podemos explicar el funcionamiento del galvanómetro de la siguiente forma: Si se coloca una bobina de tal manera que pueda girar libremente y la colocamos dentro de un imán, la corriente que fluye por ella formará polos magnéticos en sus extremos o sea, se convertirá en un electroimán, bajo esta circunstancia sucederá lo siguiente:
El polo N (bobina) será atraído por el polo S (imán). El polo S (bobina) será atraído por el polo N (imán). Este efecto provocará un movimiento rotativo en la bobina en el sentido de las agujas del reloj, esto nos lleva a pensar, que si la intensidad del campo magnético del imán es fija, la fuerza de rotación dependerá de la intensidad del campo magnético producido por la corriente en la bobina. Figura 3: Movimiento de la aguja en el
1.2 Elementos Básicos y Funcionamiento
En el galvanómetro D'Arsonval, a la bobina se le proveyó proveyó de una aguja móvil, móvil, la cual hace su indicación sobre una escala graduada, de la corriente circulante en su bobina. Se le proveyó también de un resorte que obliga a la aguja a retornar a su posición de reposo o sea cero, cuando no hay corriente circulando por la bobina. Y en general el ángulo que gira la bobina móvil (y por lo tanto la aguja indicadora) es proporcional a la corriente que circula por el galvanómetro.
Figura 4: Angulo generado por el movimiento de la aguja en un galvanómetro
1.3 Tipos de Galvanómetros En función al principio en que operan se los clasifica en:
Galvanómetros magnéticos y v Galvanómetros térmicos v
o
Galvanómetros magnéticos o Galvanómetros de hierro móvil: Cuando dos barras del mismo material se colocan paralelas y se introducen en un campo magnético, ambas se imantarán con las mismas polaridades, lo que origina que entre ellas se produzca una fuerza de repulsión.
Existen tres tipos que usan este principio: v Galvanómetro de paleta radial v Galvanómetro de alabes concéntricos v Galvanómetro de émbolo. v
Figura 5: Galvanómetro de hierro móvil
1.3 Tipos de Galvanómetros
Galvanómetro de paleta radial 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.
Galvanómetro de alabes concéntricos. El funcionamiento del medidor de alabes concéntricos es similar al de paletas, salvo la concentricidad de los alabes. Estos tendrán una mayor captación de campo magnético. Uno de ellos, el exterior, será fijo, y el del centro, móvil y contará con la aguja indicadora.
Figura 7: Galvanómetro de alabes
1.3 Tipos de Galvanómetros Galvanómetro de émbolo. 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 al émbolo, la fuerza de atracción será proporcional a la corriente que produce el campo
Figura 8: Galvanómetro de émbolo
o
Galvanómetros Térmicos En el caso de los galvanómetros térmicos, lo que se pone de manifiesto es el alargamiento producido, al calentarse por el Efecto Joule al paso de la corriente, un hilo muy fino arrollado a un cilindro solidario con la aguja indicadora. Lógicamente el mayor o menor alargamiento es proporcional a la intensidad de la corriente. El medidor que combina ambas formas (electromagnéticas y la térmica), es el “termopar”.
2.EL 2. EL AMPERÍMETRO
2.1 Definición y Características:
Llamamos amperímetro a cualquier aparato de medida que esté destinado a medir la intensidad de la corriente eléctrica. Su unidad de medida es el Amperio [A] y sus Submúltiplos, el miliamperio y el micro-amperio, lo que indica que es capaz de medir señales muy débiles.
Figura 10: Amperímetro
Para efectuar la medida de la intensidad de la corriente, se conecta en serie con el receptor de corriente y se intercala en el conductor por el cual circula la intensidad de corriente que se ha de medir. Figura 11: Conexión del amperímetro en serie con el circuito
2.2 Diseño de un Amperímetr Amperímetro o DC a partir de un Galvanómetro
2.2. 2. 2.1 1 Prin Princi cipi pio o de de Div Divis isor or de Co Corr rrie ient nte: e: El diseño de un amperímetro DC capaz de medir corrientes dentro de un rango específico, se basa en la utilización de un divisor de corriente, como el mostrado en la Figura 12. En el nodo A la corriente i se divide en dos: i1 e i2. Por ley de Kirchhoff se tiene que cumplir: i = i1 +i2 además VAB = i1R1 = i2R2 De las dos ecuaciones anteriores podemos deducir las siguientes relaciones: i 1 =
R 2 R 1 + R 2
i
i 2
=
R 1 R 1 + R 2
i
Ecuaciones que representan el principio de divisor de corriente.
Figura 12: Divisor de corriente
2.2 Diseño de un Amperímetro DC a partir de un Galvanómetro Galva nómetro
2.2. 2. 2.2 2 Co Cons nstr truc ucci ción ón de de un Am Ampe perí ríme metr tro o DC a part partir ir de de un galvanómetro bajo el principio de Divisor de Corriente:
Supongamos que disponemos de un galvanómetro cuya corriente máxima es Im y cuya resistencia interna es Ri, y queremos construir con él, un amperímetro capaz de medir una corriente I, donde I>Im. Si colocamos el galvanómetro en una de las ramas de un divisor de corriente, obtenemos la configuración mostrada en la Figura 13. Donde: Im
Por lo tanto
=
R 1 R 1 + Ri
Figura 13: Galvanómetro en divisor de corriente: Amperímetro
R 1 =
Ri Im I − Im
I
2.2 Diseño de un Amperímetro DC a partir de un Galvanómetro Galva nómetro
2.2.3 Derivación de baja resistencia Shunt
Para diseñar un amperímetro capaz de medir corrientes entre 0 e I [A], a partir de un galvanómetro cuya corriente máxima es Im y cuya resistencia interna es Ri, conectamos en paralelo con dicho dispositivo una resistencia de valor R1, Figura 14: Conexión del denominada “shunt” (Rs). resistor Shunt (Rs) Entonces si hay que medir intensidades mayores, se acopla una derivación de baja resistencia (Rs), lo más pequeña posible, a fin de que no produzca una caída de tensión apreciable, el “shunt” permite que sólo atraviese la bobina móvil del instrumento, aquella corriente que el mismo puede tolerar. Un “shunt” está conformado por una resistencia de precisión de valor óhmico menor que el presentado por la bobina móvil del instrumento, permitiendo, de esta forma, que la otra porción de corriente no tolerada, pase a través de el. Las características del shunt dependen del rango de medida que se necesite y que viene determinado en la escala del amperímetro, por lo tanto, t anto, para cambiar la escala de medida de un instrumento, bastaría cambiar el shunt ya que la bobina sería la misma..
2.3 Elementos Básicos y Funcionamiento
En la figura 15 se muestra el esquema del amperímetro, que se ha construido a partir de un galvanómetro por tanto consta de los mismos elementos básicos expuestos anteriormente, pero en este caso, hay una robusta resistencia eléctrica de muy bajo valor conectada en paralelo con el galvanómetro.
Su funcionamiento está basado en uno de los principios fundamentales del electromagnetismo que en su forma más simple nos indica que cualquier corriente eléctrica que pasa por un hilo conductor produce un campo magnético alrededor del mismo (similar al campo magnético de un imán),cuya fuerza depende de la intensidad de la corriente que circule. Figura 15: Esquema del amperímetro Pueden disponerse diferentes resistencias y un robusto permutador para medir corriente en diferentes rangos, por esto un microamperímetro está calibrado en millonésimas de amperio y un miliamperímetro en milésimas de amperio.
2.4 Tipos de Amperímetros
De acuerdo al criterio del tipo de corriente que se s e va a medir tenemos los siguientes tipos de amperímetros:
Amperímetro de bobina móvil para corriente continua. v Amperímetro electromagnético para corriente alterna. v Amperímetro de hierro móvil para corrientes directa y alterna. v Pinzas amperométricas amperométricas.. v
Amperímetro de bobina móvil Presentan una bobina móvil que está fabricada con un hilo muy fino (aproximadamente 0,05 mm de diámetro) y cuyas espiras, por donde va a pasar la corriente a medir, tienen un tamaño muy reducido. Por todo esto, se dice que la intensidad de corriente, que va a poder medir este tipo de amperímetro, va a estar limitada por sus características físicas, por ello la escala de medida que se usa es miliamperios. Se usa solamente con corriente continua, ya que la corriente alterna haría mover la bobina rápidamente en ambos sentidos.
Figura 16: Amperímetros de bobina móvil
2.4 Tipos de Amperímetros Amperímetro Electromagnétic E lectromagnético o Están constituidos por una bobina que tiene pocas espiras pero de gran sección. La potencia que requieren estos aparatos para producir una desviación máxima es de unos 2 W. Para que pueda absorberse esta potencia es necesario que sobre los extremos de la bobina haya una caída de tensión suficiente, cuyo valor va a depender del alcance que tenga el amperímetro. El rango de valores que abarca este tipo de amperímetros va desde los 0,5 A a los 300 A. Aquí no podemos usar resistencias en derivación ya que producirían un calentamiento que conllevaría errores en la medida. Se puede medir con ellos tanto la corriente continua como la alterna. Siendo solo válidas las medidas de corriente alterna para frecuencias inferiores a 500 Hz.
Amperímetro de hierro móvil
En este caso, la bobina es fija y no hay imán fijo que cause su giro. En su lugar, se fija un trozo de hierro a la bobina y otro unido a una aguja móvil sobre un pivote. Cuando circula corriente por la bobina, ambos trozos de hierro se transforman en imanes por el efecto magnético de la corriente, mutuamente se repelen, sin importar el sentido de dicha corriente. Al no importar el sentido de la corriente que circula, puede usarse para corriente continua y corriente alterna indistintamente.
2.4 Tipos de Amperímetros Pinzas Amperómetrica Amperómetricass Es un tipo especial de amperímetro que permite obviar el inconveniente de tener que abrir el circuito en el que se quiere medir la corriente para colocar un amperímetro clásico. El funcionamiento de la pinza se basa en la medida indirecta de la corriente circulante por un conductor a partir del campo magnético o de los campos que dicha circulación de corriente genera. Recibe el nombre de pinza porque consta de un sensor, en forma de pinza, que se abre y abraza el cable cuya corriente queremos medir medir.. Este método evita abrir el circuito para efectuar la medida, así como las caídas de tensión que podría producir un instrumento clásico. Por otra parte, es sumamente seguro para el operario que realiza la medición, por cuanto no es necesario un contacto eléctrico con el circuito bajo medida ya que, en el caso de cables aislados, ni siquiera es necesario levantar el aislante.
Figura 18: Pinzas amperométricas
