Un galvanómetro es un instrumento de medición electromecánico de la corriente eléctrica . Los primeros galvanómetros no estaban calibrados, pero se calibraron versiones mejoradas, llamadas amperímetros , que 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 los 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 , quien dio expresión matemática al descubrimiento de Ørsted, nombró el instrumento en honor al investigador italiano en 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 esenciales 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 , gracias a sus precisas mediciones de la corriente.
Los galvanómetros también se han utilizado como componentes de visualización de otros tipos de medidores analógicos (por ejemplo, fotómetros y medidores VU ), 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 que gira, llamada huso, en el campo de un imán permanente. La bobina está unida a una aguja fina que recorre una escala calibrada. Un diminuto resorte de torsión tira de la bobina y de la aguja hasta la posición cero.
Cuando una corriente continua (CC) fluye a través de la bobina, esta genera un campo magnético. Este campo actúa contra el imán permanente. La bobina gira, empujando contra el resorte y mueve la aguja. La aguja apunta a 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 de la aguja sea proporcional a la corriente. Un medidor útil generalmente contiene un dispositivo para amortiguar la resonancia mecánica de la bobina móvil y la aguja, de modo que la aguja se asiente rápidamente en su posición sin oscilar .
La sensibilidad básica de un medidor puede ser, por ejemplo, de 100 microamperios a escala completa (con una caída de voltaje de, digamos, 50 milivoltios a corriente completa). Estos medidores a menudo se calibran para leer alguna otra cantidad que se pueda convertir en una corriente de esa magnitud. El uso de divisores de corriente, a menudo llamados derivaciones , 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 necesario para generar una corriente a escala completa. Un medidor se puede configurar para leer otros voltajes colocándolo en un circuito divisor de voltaje. Esto se hace generalmente colocando una resistencia en serie con la bobina del medidor. Un medidor se puede usar 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 deflexión a escala completa. Cuando se coloca una resistencia desconocida en serie en el circuito, la corriente será menor que la escala completa y una escala calibrada adecuadamente puede mostrar el valor de la resistencia previamente desconocida.
Estas capacidades de traducir diferentes tipos de cantidades eléctricas en movimientos de aguja hacen que el galvanómetro sea ideal para convertir la salida de otros sensores que emiten electricidad (de una forma u otra) en algo que pueda ser leído por un humano.
Debido a que la aguja del medidor se encuentra generalmente a una pequeña distancia por encima de la escala del medidor, puede producirse un error de paralaje cuando el operador intenta leer la línea de escala que se "alinea" con la aguja. 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 al colocar la cabeza mientras se lee la escala de manera que la aguja y el reflejo de la aguja estén alineados; en este punto, el ojo del operador debe estar directamente sobre la aguja y se minimiza 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 mecanismos de medición analógicos de tipo galvanómetro han sido reemplazados por conversores analógico-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 mecanismos de medición analógicos.
La mayoría de los usos modernos del mecanismo galvanómetro se encuentran en los sistemas de posicionamiento y control. Los mecanismos galvanómetros se dividen en galvanómetros de imán móvil y de bobina móvil; además, se dividen en galvanómetros de bucle cerrado y de bucle abierto , o resonantes .
Los sistemas de galvanómetros 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 galvanómetros de espejo de bucle cerrado con sistemas de control servo . Estos son típicamente galvanómetros de alta potencia y los galvanómetros más nuevos diseñados para aplicaciones de dirección del haz pueden tener respuestas de frecuencia superiores a 10 kHz con la tecnología servo adecuada. Los galvanómetros de espejo de bucle cerrado también se utilizan de manera similar en estereolitografía , sinterización láser , grabado láser , soldadura por haz láser , televisores láser , pantallas láser y en aplicaciones de imágenes como escaneo de retina con tomografía de coherencia óptica (OCT) y oftalmoscopia láser de barrido (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 cojinetes no lubricados son especialmente interesantes en aplicaciones que requieren funcionar en un 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 lo tanto, los tiempos de acceso) lo más baja posible.
Uno de los primeros usos importantes de los galvanómetros fue la detección de averías en los cables de telecomunicaciones. A finales del siglo XX, fueron reemplazados en esta aplicación por los reflectómetros de dominio temporal .
También se utilizaron mecanismos galvanómetros para obtener lecturas de fotoresistores en los mecanismos de medición de las cámaras de película (como se ve en la imagen adyacente).
En los registradores de banda analógicos , como los que se utilizan en electrocardiógrafos , electroencefalógrafos y polígrafos , se utilizaban mecanismos galvanométricos para posicionar la pluma . Los registradores de banda con plumas accionadas por galvanómetro pueden tener una respuesta de frecuencia de escala completa de 100 Hz y varios centímetros de desviación.
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 fue estudiado tanto por sí mismo como para medir la corriente eléctrica.
El primer galvanómetro fue descrito 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 utilizando múltiples vueltas de alambre. Los instrumentos fueron llamados al principio "multiplicadores" debido a esta característica común del diseño. [2] El término "galvanómetro", de uso común en 1836, se derivó del apellido del investigador italiano de electricidad Luigi Galvani , quien en 1791 descubrió que la corriente eléctrica haría que la pata de una rana muerta se sacudiera .
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Originalmente, los instrumentos dependían del campo magnético de la Tierra para proporcionar la fuerza de recuperación a la aguja de la brújula. Se los llamaba galvanómetros "tangentes" y debían orientarse antes de su uso. Los instrumentos posteriores del tipo "astático" utilizaban imanes opuestos para independizarse del campo magnético de la Tierra y podían funcionar en cualquier orientación.
Un galvanómetro de espejo temprano fue inventado en 1826 por Johann Christian Poggendorff . [ cita requerida ] Un galvanómetro astático fue inventado por Hermann von Helmholtz en 1849; una versión más sensible de ese dispositivo, el galvanómetro de espejo de Thomson , fue patentada en 1858 por William Thomson (Lord Kelvin). [3] El diseño de Thomson fue capaz de detectar cambios de corriente muy rápidos utilizando pequeños imanes unidos a un espejo liviano, suspendido por un hilo, en lugar de una aguja de brújula. La desviación de un haz de luz en el espejo magnificó en gran medida 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 : el voltaje a través de un conductor es directamente proporcional a la corriente que lo atraviesa.
El galvanómetro de imán móvil inicial tenía la desventaja de que se veía afectado por cualquier imán o masa de hierro cerca de él, y su desviación no era linealmente proporcional a la corriente. En 1882, Jacques-Arsène d'Arsonval y Marcel Deprez desarrollaron un galvanómetro con un imán permanente estacionario y una bobina móvil de alambre, suspendida por cables finos que proporcionaban una conexión eléctrica a la bobina y el par de recuperación para volver 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. Este espacio producía un campo magnético radial constante a lo largo de la bobina, lo que daba una respuesta lineal en todo el rango del instrumento. Un espejo unido a la bobina desviaba 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 proporcionó par de recuperación y conexiones eléctricas [ se necesita más explicación ] a través de resortes espirales en lugar de a través del tradicional resorte de volante de los relojes 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 por un puntero con filo de cuchillo que se podía leer directamente. Un espejo debajo del puntero, en el mismo plano que la escala, eliminaba 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. Esto mejoró la linealidad de la deflexión del puntero con respecto a la corriente de la bobina. Finalmente, la bobina se enrolló en una forma liviana 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 lo conocía como un instrumento "portátil" porque se veía muy afectado por la posición de montaje o por el transporte de un lugar a otro. Este diseño se utiliza casi universalmente en los medidores de bobina móvil en la actualidad. [ cita requerida ]
Inicialmente, los galvanómetros, instrumentos de laboratorio que dependían del 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 de rubí y los espirales se sustituyen por pequeñas tiras de metal bajo tensión. Este tipo de medidor es más resistente para su uso en el campo. [5] [6]
Existen dos tipos generales 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 una amplificación mecánica de las señales de bajo nivel.
Un galvanómetro tangente es un instrumento de medición antiguo utilizado para medir la corriente eléctrica . Funciona utilizando una aguja de brújula para comparar un campo magnético generado por la corriente desconocida con el campo magnético de la Tierra. Recibe su nombre de su principio operativo, la ley de la tangente del magnetismo, que establece que la tangente del ángulo que forma una aguja de 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 enrollada sobre un marco circular no magnético. El marco está montado verticalmente sobre una base horizontal provista de tornillos niveladores. La bobina 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 pivota en el centro de la bobina. La aguja magnética puede girar libremente en el plano horizontal. La escala circular está dividida en cuatro cuadrantes. Cada cuadrante está graduado de 0° a 90°. Un puntero de aluminio largo y delgado está unido a la aguja en su centro y en ángulo recto con ella. Para evitar errores debidos a la paralaje, se monta un espejo plano debajo de la aguja de la brújula.
En funcionamiento, el instrumento se hace girar primero hasta que el campo magnético de la Tierra, indicado por la aguja de la brújula, esté paralelo al plano de la bobina. A continuación, 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 hasta un ángulo igual a la tangente de la relación de los dos campos. A partir del ángulo leído en la escala de la brújula, se puede encontrar la corriente a partir de una tabla. [11] Los cables de alimentación de corriente tienen que estar enrollados en una pequeña hélice, como la cola de un cerdo, de lo contrario, el campo debido al cable afectará a la aguja de la brújula y se obtendrá una lectura incorrecta.
El galvanómetro está orientado de manera que el plano de la bobina sea vertical y esté alineado en paralelo al 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 en 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 con corrientes bajas. La resolución máxima se obtiene cuando el valor de θ es de 45°. Cuando el valor de θ está cerca de 0° o 90°, un gran cambio porcentual en la corriente solo moverá la aguja unos pocos grados. [12]
También se puede utilizar un galvanómetro tangente para medir la magnitud del componente horizontal del campo geomagnético . Cuando se utiliza de esta manera, se conecta una fuente de energía de bajo voltaje, como una batería, en serie con un reóstato , el galvanómetro y un amperímetro . Primero se alinea el galvanómetro de modo que la bobina esté paralela al campo geomagnético, cuya dirección es indicada por la brújula cuando no hay corriente a través de 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 de la Tierra para la medición, por lo que no necesita estar orientado con respecto al campo de la Tierra, lo que facilita su uso. Desarrollado por Leopoldo Nobili en 1825, [13] consta de dos agujas imantadas paralelas entre sí pero con los polos magnéticos invertidos. Estas agujas están suspendidas por un solo hilo de seda. [14] La aguja inferior está dentro de una bobina de detección de corriente vertical de alambre y es desviada por el campo magnético creado por la corriente que pasa, como en el galvanómetro tangente anterior. El propósito de la segunda aguja es cancelar el momento dipolar de la primera aguja, por lo que la armadura suspendida no tiene un momento dipolar magnético neto y, por lo tanto, no se ve afectada por el campo magnético de la Tierra. La rotación de la aguja se opone a la elasticidad torsional 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 unido a los imanes. Un haz de luz reflejado desde el espejo cae sobre 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 pulsos de corriente extremadamente débiles 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 en función del tiempo, registrando mediciones en película fotográfica. El galvanómetro de cuerda es un tipo de galvanómetro de espejo tan sensible que se utilizó para hacer 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 constante de tiempo larga de su respuesta, a diferencia de un galvanómetro de medición de corriente. La parte móvil tiene un gran momento de inercia que le da un período de oscilación lo suficientemente largo para realizar la medición integrada. Puede ser del tipo de bobina móvil o de imán móvil; comúnmente es un galvanómetro de espejo.
