Un galvanómetro es un instrumento electromecánico de medición de corriente eléctrica . Los primeros galvanómetros no estaban calibrados, pero las versiones mejoradas, llamadas amperímetros , sí estaban calibradas y podían medir el flujo de corriente con mayor precisión. Los galvanómetros funcionan desviando un puntero en respuesta a una corriente eléctrica que fluye a través de una bobina en un campo magnético constante . El mecanismo también se utiliza como actuador en aplicaciones como discos duros .
Los galvanómetros surgieron de la observación, observada por primera vez por Hans Christian Ørsted en 1820, de que la aguja de una brújula magnética se desvía cuando está cerca de un cable que tiene corriente eléctrica. Fueron los primeros instrumentos utilizados para detectar y medir pequeñas cantidades de corriente. André-Marie Ampère , que dio expresión matemática al descubrimiento de Ørsted, nombró el instrumento en honor [1] al investigador italiano de electricidad Luigi Galvani , quien en 1791 descubrió el principio del galvanoscopio de rana : que la corriente eléctrica haría que las patas de una rana muerta se sacudieran. .
Los galvanómetros han sido fundamentales para el desarrollo de la ciencia y la tecnología en muchos campos. Por ejemplo, en el siglo XIX permitieron la comunicación de largo alcance a través de cables submarinos, como los primeros cables telegráficos transatlánticos , y fueron esenciales para descubrir la actividad eléctrica del corazón y el cerebro , mediante sus finas mediciones de corriente.
Los galvanómetros también se han utilizado como componentes de visualización de otros tipos de medidores analógicos (por ejemplo, fotómetros y vúmetros ), capturando las salidas de los sensores de estos medidores . Hoy en día, el principal tipo de galvanómetro que todavía se utiliza es el tipo D'Arsonval/Weston.
Los galvanómetros modernos, del tipo D'Arsonval/Weston, están construidos con una pequeña bobina de alambre pivotante, llamada huso, en el campo de un imán permanente. La bobina está unida a un puntero delgado que atraviesa una escala calibrada. Un pequeño resorte de torsión tira de la bobina y del puntero a la posición cero.
Cuando una corriente continua (CC) fluye a través de la bobina, la bobina genera un campo magnético. Este campo actúa contra el imán permanente. La bobina gira, empuja contra el resorte y mueve el puntero. La mano señala una escala que indica la corriente eléctrica. El diseño cuidadoso de las piezas polares garantiza que el campo magnético sea uniforme, de modo que la desviación angular del puntero sea proporcional a la corriente. Un medidor útil generalmente contiene una provisión para amortiguar la resonancia mecánica de la bobina móvil y el puntero, de modo que el puntero se establezca rápidamente en su posición sin oscilación .
La sensibilidad básica de un medidor podría ser, por ejemplo, 100 microamperios a plena escala (con una caída de voltaje de, digamos, 50 milivoltios a plena corriente). Estos medidores suelen estar calibrados para leer alguna otra cantidad que pueda convertirse en una corriente de esa magnitud. El uso de divisores de corriente, a menudo llamados derivadores , permite calibrar un medidor para medir corrientes más grandes. Un medidor se puede calibrar como un voltímetro de CC si se conoce la resistencia de la bobina calculando el voltaje requerido para generar una corriente a escala completa. Se puede configurar un medidor para leer otros voltajes colocándolo en un circuito divisor de voltaje. Esto generalmente se hace colocando una resistencia en serie con la bobina del medidor. Se puede usar un medidor para leer la resistencia colocándolo en serie con un voltaje conocido (una batería) y una resistencia ajustable. En un paso preparatorio, se completa el circuito y se ajusta la resistencia para producir una desviación de escala completa. Cuando se coloca una resistencia desconocida en serie en el circuito, la corriente será menor que la escala completa y una escala adecuadamente calibrada puede mostrar el valor de la resistencia previamente desconocida.
Estas capacidades para traducir diferentes tipos de cantidades eléctricas en movimientos del puntero hacen que el galvanómetro sea ideal para convertir la salida de otros sensores que generan electricidad (de una forma u otra) en algo que pueda ser leído por un humano.
Debido a que el puntero del medidor suele estar a una pequeña distancia por encima de la escala del medidor, puede ocurrir un error de paralaje cuando el operador intenta leer la línea de escala que "se alinea" con el puntero. Para contrarrestar esto, algunos medidores incluyen un espejo junto con las marcas de la escala principal. La precisión de la lectura de una escala reflejada se mejora colocando la cabeza mientras se lee la escala de manera que el puntero y el reflejo del puntero estén alineados; en este punto, el ojo del operador debe estar directamente encima del puntero y se ha minimizado cualquier error de paralaje.
Probablemente el mayor uso de galvanómetros fue el del tipo D'Arsonval/Weston utilizado en medidores analógicos en equipos electrónicos. Desde la década de 1980, los movimientos de medidores analógicos de tipo galvanómetro han sido desplazados por convertidores analógicos a digitales (ADC) para muchos usos. Un medidor de panel digital (DPM) contiene un ADC y una pantalla numérica. Las ventajas de un instrumento digital son una mayor precisión y exactitud, pero factores como el consumo de energía o el costo aún pueden favorecer la aplicación de movimientos de medidores analógicos.
La mayoría de los usos modernos del mecanismo del galvanómetro se encuentran en sistemas de posicionamiento y control. Los mecanismos de galvanómetro se dividen en galvanómetros de imán móvil y de bobina móvil; Además, se dividen en tipos de bucle cerrado y de bucle abierto (o resonantes ).
Los sistemas de galvanómetro de espejo se utilizan como elementos de posicionamiento o dirección del haz en sistemas de escaneo láser . Por ejemplo, para el procesamiento de materiales con láseres de alta potencia, se utilizan mecanismos de galvanómetro de espejo de circuito cerrado con sistemas de servocontrol . Por lo general, se trata de galvanómetros de alta potencia y los galvanómetros más nuevos diseñados para aplicaciones de dirección de haz pueden tener respuestas de frecuencia superiores a 10 kHz con la tecnología servo adecuada. Los galvanómetros de espejo de circuito cerrado también se utilizan de manera similar en estereolitografía , sinterización láser , grabado láser , soldadura por rayo láser , televisores láser , pantallas láser y en aplicaciones de imágenes como escaneo de retina con tomografía de coherencia óptica (OCT) y oftalmoscopia láser de escaneo (SLO ). ). Casi todos estos galvanómetros son del tipo de imán móvil. El bucle cerrado se obtiene midiendo la posición del eje giratorio con un emisor de infrarrojos y 2 fotodiodos. Esta retroalimentación es una señal analógica.
Los galvanómetros de bucle abierto, o de espejo resonante, se utilizan principalmente en algunos tipos de lectores de códigos de barras basados en láser, máquinas de impresión, aplicaciones de imágenes, aplicaciones militares y sistemas espaciales. Sus rodamientos no lubricados son de especial interés en aplicaciones que requieren funcionar en alto vacío .
Los mecanismos galvanométricos de tipo bobina móvil (llamados "bobinas móviles" por los fabricantes de discos duros) se utilizan para controlar los servos de posicionamiento del cabezal en unidades de disco duro y reproductores de CD/DVD, con el fin de mantener la masa (y, por tanto, los tiempos de acceso) lo más bajo posible. .
Uno de los primeros usos importantes de los galvanómetros fue la búsqueda de fallas en cables de telecomunicaciones. Fueron reemplazados en esta aplicación a finales del siglo XX por los reflectómetros en el dominio del tiempo .
También se utilizaron mecanismos de galvanómetro para obtener lecturas de fotorresistores en los mecanismos de medición de las cámaras de película (como se ve en la imagen adyacente).
En los registradores de tiras analógicas , como los utilizados en electrocardiógrafos , electroencefalógrafos y polígrafos , se utilizaban mecanismos de galvanómetro para posicionar la pluma . Los registradores de gráficos de banda con plumas accionadas por galvanómetro pueden tener una respuesta de frecuencia de escala completa de 100 Hz y varios centímetros de deflexión.
La desviación de la aguja de una brújula magnética por la corriente en un cable fue descrita por primera vez por Hans Christian Ørsted en 1820. El fenómeno se estudió tanto por sí mismo como como medio para medir la corriente eléctrica.
El primer galvanómetro fue inventado 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 aumentaron el efecto del campo magnético generado por la corriente mediante el uso de múltiples vueltas de cable. Debido a esta característica común de diseño, los instrumentos se denominaron al principio "multiplicadores". [2] El término "galvanómetro", de uso común en 1836, se derivó del apellido del investigador de electricidad italiano Luigi Galvani , quien en 1791 descubrió que la corriente eléctrica hacía que las ancas de una rana muerta se sacudieran .
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Originalmente, los instrumentos dependían del campo magnético de la Tierra para proporcionar la fuerza restauradora de la aguja de la brújula. Estos se llamaban galvanómetros "tangentes" y debían orientarse antes de su uso. Los instrumentos posteriores del tipo "astático" utilizaban imanes opuestos para independizarse del campo terrestre y funcionarían en cualquier orientación.
Uno de los primeros galvanómetros de espejo fue inventado en 1826 por Johann Christian Poggendorff . [ cita necesaria ] Hermann von Helmholtz inventó un galvanómetro astático en 1849; una versión más sensible de ese dispositivo, el galvanómetro de espejo Thomson , fue patentado en 1858 por William Thomson (Lord Kelvin). [3] El diseño de Thomson fue capaz de detectar cambios de corriente muy rápidos mediante el uso de pequeños imanes unidos a un espejo liviano, suspendido por un hilo, en lugar de la aguja de una brújula. La desviación de un haz de luz sobre el espejo magnificó enormemente la desviación inducida por pequeñas corrientes. Alternativamente, la desviación de los imanes suspendidos podría observarse directamente a través de un microscopio.
La capacidad de medir cuantitativamente el voltaje y la corriente permitió a Georg Ohm , en 1827, formular la ley de Ohm : que el voltaje a través de un conductor es directamente proporcional a la corriente que lo atraviesa.
La primera forma de galvanómetro de imán móvil tenía la desventaja de que se veía afectada por cualquier imán o masa de hierro cercana, y su deflexión no era linealmente proporcional a la corriente. En 1882, Jacques-Arsène d'Arsonval y Marcel Deprez desarrollaron una forma con un imán permanente estacionario y una bobina de alambre móvil, suspendida por alambres finos que proporcionaban tanto una conexión eléctrica a la bobina como el par de restauración para regresar a la posición cero. Un tubo de hierro entre las piezas polares del imán definía un espacio circular a través del cual giraba la bobina. Esta brecha produjo 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 desvió un haz de luz para indicar la posición de la bobina. El campo magnético concentrado y la delicada suspensión hicieron que estos instrumentos fueran sensibles; El instrumento inicial de d'Arsonval podía detectar diez microamperios . [4]
Edward Weston mejoró ampliamente el diseño del galvanómetro. Sustituyó la suspensión de alambre fino por un pivote y restauró el par y las conexiones eléctricas [ se necesita más explicación ] a través de resortes en espiral en lugar de la tradicional espiral del volante de un reloj de pulsera . Desarrolló un método para estabilizar el campo magnético del imán permanente, de modo que el instrumento tuviera una precisión constante a lo largo del tiempo. Reemplazó el haz de luz y el espejo con un puntero con el filo de un cuchillo que se podía leer directamente. Un espejo debajo del puntero, en el mismo plano que la escala, eliminó el error de observación de paralaje . Para mantener la intensidad del campo, el diseño de Weston utilizó una ranura circunferencial muy estrecha a través de la cual se movía la bobina, con un espacio de aire mínimo. Esta linealidad mejorada de la desviación del puntero con respecto a la corriente de la bobina. Finalmente, la bobina se enrolló sobre una forma ligera hecha de metal conductor, que actuaba como amortiguador. En 1888, Edward Weston había patentado y lanzado una forma comercial de este instrumento, que se convirtió en un componente estándar de los equipos eléctricos. Se le conocía como un instrumento "portátil" porque se veía muy poco afectado por la posición de montaje o por el transporte de un lugar a otro. Este diseño se utiliza hoy casi universalmente en los medidores de bobina móvil. [ cita necesaria ]
Inicialmente, los galvanómetros, instrumentos de laboratorio que dependían del propio campo magnético de la Tierra para proporcionar fuerza restauradora al puntero, se desarrollaron hasta convertirse en instrumentos portátiles compactos, resistentes y sensibles, esenciales para el desarrollo de la electrotecnología.
El movimiento de banda tensa es un desarrollo moderno del movimiento D'Arsonval-Weston. Los pivotes y espirales de las joyas son reemplazados por pequeñas tiras de metal bajo tensión. Un medidor de este tipo es más resistente para uso en el campo. [5] [6]
En términos generales, existen dos tipos de galvanómetros. Algunos galvanómetros utilizan un puntero sólido sobre una escala para mostrar las mediciones; Otros tipos muy sensibles utilizan un espejo en miniatura y un haz de luz para proporcionar amplificación mecánica de señales de bajo nivel.
Un galvanómetro tangente es uno de los primeros instrumentos de medición utilizados para medir la corriente eléctrica . Funciona utilizando la aguja de una brújula para comparar un campo magnético generado por una corriente desconocida con el campo magnético de la Tierra. Recibe su nombre de su principio de funcionamiento, la ley tangente del magnetismo, que establece que la tangente del ángulo que forma la aguja de una brújula es proporcional a la relación de las intensidades de los dos campos magnéticos perpendiculares. Fue descrito por primera vez por Johan Jakob Nervander en 1834. [7] [8] [9] [10]
Un galvanómetro tangente consiste en una bobina de alambre de cobre aislado enrollado sobre un marco circular no magnético. El marco se monta verticalmente sobre una base horizontal provista de tornillos niveladores. La bobina se puede girar sobre un eje vertical que pasa por su centro. Una caja de brújula está montada horizontalmente en el centro de una escala circular. Consiste en una pequeña y potente aguja magnética que gira en el centro de la bobina. La aguja magnética puede girar libremente en el plano horizontal. La escala circular se divide en cuatro cuadrantes. Cada cuadrante está graduado de 0° a 90°. Un puntero de aluminio largo y delgado está sujeto a la aguja en su centro y en ángulo recto con respecto a ella. Para evitar errores debidos al paralaje, se monta un espejo plano debajo de la aguja de la brújula.
En funcionamiento, el instrumento primero se gira hasta que el campo magnético de la Tierra, indicado por la aguja de la brújula, sea paralelo al plano de la bobina. Luego se aplica la corriente desconocida 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 se desvía formando un ángulo igual a la tangente de la relación de los dos campos. Desde el ángulo leído en la escala de la brújula, la corriente se puede encontrar en una tabla. [11] Los cables de suministro de corriente deben enrollarse en una pequeña hélice, como la cola de un cerdo; de lo contrario, el campo debido al cable afectará la aguja de la brújula y se obtendrá una lectura incorrecta.
El galvanómetro está orientado de modo que el plano de la bobina sea vertical y alineado paralelamente a la componente horizontal B H del campo magnético de la Tierra (es decir, paralelo al "meridiano magnético" local). Cuando una corriente eléctrica fluye a través de la bobina del galvanómetro, se crea un segundo campo magnético B. 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 I 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 se suman vectorialmente y la aguja de la brújula apunta en la dirección de su resultante B H + B . La corriente en la bobina hace que la aguja de la brújula gire un ángulo θ :
De la ley de la tangente, B = B H tan θ , es decir
o
o I = K tan θ , donde K se llama Factor de Reducción del galvanómetro tangente.
Un problema con el galvanómetro tangente es que su resolución se degrada tanto con corrientes altas como bajas. La resolución máxima se obtiene cuando el valor de θ es 45°. Cuando el valor de θ está cerca de 0° o 90°, un cambio porcentual grande en la corriente sólo moverá la aguja unos pocos grados. [12]
También se puede utilizar un galvanómetro tangente para medir la magnitud de la componente horizontal del campo geomagnético . Cuando se utiliza de esta manera, una fuente de energía de bajo voltaje, como una batería, se conecta en serie con un reóstato , el galvanómetro y un amperímetro . Primero se alinea el galvanómetro de manera que la bobina quede paralela al campo geomagnético, cuya dirección indica la brújula cuando no pasa corriente por las bobinas. Luego se conecta la batería y se ajusta el reóstato 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 del componente horizontal del campo geomagnético. Esta intensidad de campo se puede calcular a partir de la corriente medida por el amperímetro, el número de vueltas de la bobina y el radio de las bobinas.
A diferencia del galvanómetro tangente, el galvanómetro astático no utiliza el campo magnético terrestre para realizar mediciones, por lo que no necesita estar orientado con respecto al campo terrestre, lo que facilita su uso. Desarrollado por Leopoldo Nobili en 1825, [13] consta de dos agujas magnetizadas paralelas entre sí pero con los polos magnéticos invertidos. Estas agujas están suspendidas de un único hilo de seda. [14] La aguja inferior está dentro de una bobina de alambre de detección de corriente vertical y es desviada por el campo magnético creado por la corriente que pasa, como en el galvanómetro tangente de arriba. El propósito de la segunda aguja es cancelar el momento dipolar de la primera aguja, por lo que la armadura suspendida no tiene momento dipolar magnético neto y, por lo tanto, no se ve afectada por el campo magnético terrestre. La rotación de la aguja se opone a la elasticidad de torsión del hilo de suspensión, que es proporcional al ángulo.
Para lograr una mayor sensibilidad para detectar corrientes extremadamente pequeñas, el galvanómetro de espejo sustituye el puntero por un espejo liviano. Consiste en imanes horizontales suspendidos de una fibra fina, dentro de una bobina vertical de alambre, con un espejo adherido a los imanes. Un haz de luz reflejado por el espejo cae en una escala graduada a través de la habitación, actuando como un puntero largo sin masa. El galvanómetro de espejo se utilizó como receptor en los primeros cables telegráficos submarinos transatlánticos en la década de 1850, para detectar los extremadamente débiles pulsos de corriente después de su viaje de mil millas bajo el Atlántico. En un dispositivo llamado oscilógrafo , se utiliza el haz de luz en movimiento para producir gráficos de corriente versus tiempo, registrando mediciones en una película fotográfica. El galvanómetro de cuerda es un tipo de galvanómetro de espejo tan sensible que se utilizó para realizar el primer electrocardiograma de la actividad eléctrica del corazón humano.
Un galvanómetro balístico es un tipo de galvanómetro sensible para medir la cantidad de carga descargada a través de él. Es un integrador , en virtud de la larga constante de tiempo de su respuesta, a diferencia de un galvanómetro medidor de corriente. La parte móvil tiene un gran momento de inercia que le confiere un periodo de oscilación lo suficientemente largo como para realizar la medida integrada. Puede ser del tipo bobina móvil o imán móvil; comúnmente es un galvanómetro de espejo.
