Un puente Kelvin , también llamado puente doble Kelvin y en algunos países puente Thomson , es un instrumento de medición utilizado para medir resistencias eléctricas desconocidas por debajo de 1 ohmio . Está diseñado específicamente para medir resistencias que están construidas como resistencias de cuatro terminales. Históricamente, los puentes Kelvin se usaban para medir resistencias en derivación para amperímetros y resistencias de referencia por debajo de un ohmio en laboratorios de metrología . En la comunidad científica, el puente Kelvin emparejado con el detector nulo se utilizó para lograr la mayor precisión y permitir la detección temprana de la superconductividad .
Las resistencias con un valor superior a 1 ohmio se pueden medir utilizando diversas técnicas, como un ohmímetro o un puente de Wheatstone . En dichas resistencias, la resistencia de los cables o terminales de conexión es insignificante en comparación con el valor de la resistencia. En el caso de resistencias de menos de un ohmio, la resistencia de los cables o terminales de conexión se vuelve significativa y las técnicas de medición convencionales las incluirán en el resultado.
Para superar los problemas de estas resistencias indeseables (conocidas como " resistencia parásita "), se construyen resistencias de valor muy bajo y, en particular, resistencias de precisión y derivaciones de amperímetro de alta corriente como resistencias de cuatro terminales. Estas resistencias tienen un par de terminales de corriente y un par de terminales de potencial o voltaje. En uso, se hace pasar una corriente entre los terminales de corriente, pero la caída de voltaje a través de la resistencia se mide en los terminales de potencial. La caída de voltaje medida se deberá completamente a la propia resistencia, ya que la resistencia parásita de los cables que llevan la corriente hacia y desde la resistencia no están incluidos en el circuito de potencial. Para medir tales resistencias se requiere un circuito puente diseñado para funcionar con resistencias de cuatro terminales. Ese puente es el puente Kelvin. [1]
El funcionamiento del puente de Kelvin es muy similar al puente de Wheatstone, pero utiliza dos resistencias adicionales. Las resistencias R 1 y R 2 están conectadas a los terminales de potencial externos de la resistencia conocida o estándar de cuatro terminales R s y la resistencia desconocida R x (identificadas como P 1 y P ′ 1 en el diagrama). Las resistencias R s , R x , R 1 y R 2 son esencialmente un puente de Wheatstone. En esta disposición, la resistencia parásita de la parte superior de R s y la parte inferior de R x está fuera de la parte de medición de potencial del puente y, por lo tanto, no se incluyen en la medición. Sin embargo, el vínculo entre R s y R x ( R par ) está incluido en la parte de medición de potencial del circuito y, por lo tanto, puede afectar la precisión del resultado. Para superar esto, un segundo par de resistencias R ′ 1 y R ′ 2 forman un segundo par de brazos del puente (de ahí 'puente doble') y están conectadas a los terminales de potencial internos de R s y R x (identificados como P 2 y P ′ 2 en el diagrama). El detector D está conectado entre la unión de R 1 y R 2 y la unión de R ′ 1 y R ′ 2 . [2]
La ecuación de equilibrio de este puente viene dada por la ecuación
En un circuito de puente práctico, la relación de R ′ 1 a R ′ 2 se establece para que sea la misma que la relación de R1 a R2 (y en la mayoría de los diseños, R 1 = R ′ 1 y R 2 = R ′ 2 ). Como resultado, el último término de la ecuación anterior se vuelve cero y la ecuación de equilibrio se convierte en
Reorganizando para hacer que R x sea el sujeto
La resistencia parásita Rpar se ha eliminado de la ecuación de equilibrio y su presencia no afecta al resultado de la medición. Esta ecuación es la misma que la del puente de Wheatstone funcionalmente equivalente .
En la práctica, la magnitud de la fuente de alimentación B se puede configurar para proporcionar corriente a través de Rs y Rx en o cerca de las corrientes de funcionamiento nominales de la resistencia nominal más pequeña. Esto contribuye a errores más pequeños en la medición. Esta corriente no fluye a través del puente de medición en sí. Este puente también se puede utilizar para medir resistencias del diseño más convencional de dos terminales. Las conexiones de potencial del puente simplemente se conectan lo más cerca posible de los terminales de la resistencia. Cualquier medición excluirá entonces toda la resistencia del circuito que no esté dentro de las dos conexiones de potencial.
La precisión de las mediciones realizadas con este puente depende de varios factores. La precisión de la resistencia estándar ( R s ) es de suma importancia. También es importante la proximidad entre la relación de R 1 a R 2 y la relación de R ′ 1 a R ′ 2 . Como se muestra arriba, si la relación es exactamente la misma, se elimina el error causado por la resistencia parásita ( R par ). En un puente práctico, el objetivo es hacer que esta relación sea lo más cercana posible, pero no es posible hacerla exactamente igual. Si la diferencia en la relación es lo suficientemente pequeña, entonces el último término de la ecuación de equilibrio anterior se vuelve lo suficientemente pequeño como para ser despreciable. La precisión de la medición también aumenta al configurar la corriente que fluye a través de R s y R x para que sea tan grande como lo permita la clasificación de esas resistencias. Esto proporciona la mayor diferencia de potencial entre las conexiones de potencial más internas ( R 2 y R ′ 2 ) a esas resistencias y, en consecuencia, suficiente voltaje para que el cambio en R ′ 1 y R ′ 2 tenga su mayor efecto.
Los puentes Kelvin comerciales utilizaban inicialmente galvanómetros que fueron reemplazados por microamperímetros y ese era el factor limitante de la precisión, cuando la diferencia de voltaje se acercaba a cero. Se logró una mejora adicional en la precisión utilizando detectores nulos con sensibilidad de nanovoltios.
Existen algunos puentes comerciales que alcanzan precisiones superiores al 2 % para rangos de resistencia de entre 1 microohmio y 25 ohmios. Uno de estos tipos se ilustra arriba. Los medidores digitales modernos superan el 0,25 %.
Los puentes de laboratorio se construyen generalmente con resistencias variables de alta precisión en los dos brazos de potencial del puente y logran precisiones adecuadas para calibrar resistencias estándar. En una aplicación de este tipo, la resistencia "estándar" ( R s ) será en realidad un tipo subestándar (es decir, una resistencia que tiene una precisión unas 10 veces mejor que la precisión requerida de la resistencia estándar que se está calibrando). Para tal uso, el error introducido por la falta de coincidencia de la relación en los dos brazos de potencial significaría que la presencia de la resistencia parásita R par podría tener un impacto significativo en la muy alta precisión requerida. Para minimizar este problema, las conexiones de corriente a la resistencia estándar ( R x ); la resistencia subestándar ( R s ) y la conexión entre ellas ( R par ) están diseñadas para tener una resistencia lo más baja posible, y las conexiones tanto en las resistencias como en el puente se parecen más a barras colectoras que a cables.
Algunos ohmímetros incluyen puentes Kelvin para obtener rangos de medición amplios. Los instrumentos para medir valores sub-ohmios suelen denominarse ohmímetros de baja resistencia, mili-ohmímetros, micro-ohmímetros, etc.
Medios relacionados con el puente Thomson en Wikimedia Commons
