Los grandes inventos: Medidores
eléctricos
Medidores eléctricos, instrumentos que miden
magnitudes eléctricas, como intensidad de corriente, carga, potencial, energía,
resistencia eléctrica, capacidad e inductancia. El resultado de estas medidas
se expresa normalmente en una unidad eléctrica estándar: amperios, culombios,
voltios, julios, ohmios, faradios o henrios (véase Unidades eléctricas).
Dado que todas las formas de la materia presentan una o más características
eléctricas es posible tomar mediciones eléctricas de un elevado número de
fuentes.
|
2
|
MECANISMOS BÁSICOS DE LOS MEDIDORES
|
Las magnitudes eléctricas no se
pueden medir por observación directa y por ello se utiliza alguna propiedad de
la electricidad para producir una fuerza física susceptible de ser detectada y
medida. Por ejemplo, en el galvanómetro, uno de los primeros instrumentos de
medida que se inventó, la fuerza que se produce entre un campo magnético y una
bobina por la que circula una corriente eléctrica produce una desviación de la
bobina. Dado que la desviación es proporcional a la intensidad de la corriente
se utiliza una escala calibrada para medir la intensidad de la corriente
eléctrica. La acción electromagnética entre corrientes, la fuerza entre cargas
eléctricas y el calentamiento provocado por una resistencia conductora son
algunas de las propiedades de la electricidad utilizadas para obtener
mediciones analógicas.
|
3
|
CALIBRACIÓN DE LOS MEDIDORES
|
Para garantizar la uniformidad
y la precisión de las medidas de los medidores eléctricos se calibran de
acuerdo con los patrones de medida aceptados para una determinada unidad
eléctrica, como el ohmio, el amperio, el voltio o el vatio.
|
4
|
PATRONES PRINCIPALES Y MEDIDAS ABSOLUTAS
|
Los patrones principales del
ohmio y el amperio se basan en definiciones de estas unidades aceptadas a nivel
internacional y basadas en la masa, la longitud del conductor y el tiempo. Las
técnicas de medición que utilizan estas unidades básicas son precisas y
reproducibles. Por ejemplo, las medidas absolutas de amperios implican la
utilización de una especie de balanza que mide la fuerza que se produce entre
un conjunto de bobinas fijas y una bobina móvil. Estas mediciones absolutas de
intensidad de corriente y diferencia de potencial tienen su aplicación
principal en el laboratorio, mientras que en la mayoría de los casos se
utilizan medidas relativas. Todos los medidores que se describen en los
párrafos siguientes permiten hacer lecturas relativas.
|
5
|
MEDIDORES DE CORRIENTE
|
|
5.1
|
Galvanómetros
|
Medidores eléctricos
Los medidores eléctricos permiten
determinar distintas magnitudes eléctricas. Dos de estos dispositivos son el
amperímetro y el voltímetro, ambos variaciones del galvanómetro. En un
galvanómetro, un imán crea un campo magnético que genera una fuerza medible
cuando pasa corriente por una bobina cercana. El amperímetro desvía la
corriente por una bobina a través de una derivación (ilustrada debajo del
amperímetro) y mide la intensidad de la corriente que fluye por el circuito, al
que se conecta en serie. El voltímetro, en cambio, se conecta en paralelo y
permite medir diferencias de potencial. Para que la corriente que pase por él
sea mínima, la resistencia del voltímetro (indicada por la línea quebrada
situada debajo) tiene que ser muy alta, al contrario que en el amperímetro.
Los galvanómetros son los
instrumentos principales para detectar el paso de una corriente eléctrica y
para medir su intensidad. El mecanismo del galvanómetro está diseñado de forma
que un imán permanente o un electroimán produce un campo magnético que genera
una fuerza en una bobina cercana al imán cuando por ésta circula una corriente
eléctrica. El elemento móvil puede ser el imán o la bobina. La fuerza inclina
el elemento móvil en un grado proporcional a la intensidad de la corriente.
En los galvanómetros de
imán móvil se aprovecha el par de fuerzas que ejerce la corriente estudiada
sobre un pequeño imán móvil. En los galvanómetros de cuadro móvil se utiliza la
acción de un imán fijo sobre una bobina móvil recorrida por una corriente desconocida.
Un ejemplo de galvanómetro
de cuadro móvil es el galvanómetro de inclinación de D´Arsonval. En este
galvanómetro la corriente que se trata de medir circula por una bobina formada
por varias espiras de alambre muy fino, que puede girar en el campo de un imán
por estar suspendida de un alambre muy delgado. Cuando una corriente eléctrica
circula por esta bobina experimenta la acción de un par de fuerzas proporcional
a la corriente. Este par hace girar la bobina hasta que se equilibra por el par
recuperador proporcionado por el alambre al retorcerse. El ángulo de giro se
mide por la desviación experimentada por un haz luminoso que incide sobre un
pequeño espejo unido a la bobina móvil y que es reflejado hacia un dial.
Los galvanómetros tienen
denominaciones distintas según la magnitud de la corriente que pueden medir.
|
5.2
|
Amperímetros
|
Para que un galvanómetro
funcione como amperímetro hay que tener en cuenta que por el fino hilo de la
bobina de un galvanómetro sólo puede circular una intensidad de corriente
pequeña. Si hay que medir intensidades mayores, se acopla una derivación de
baja resistencia, denominada shunt, a los terminales del medidor. La mayor
parte de la corriente pasa por la resistencia de la derivación, pero la pequeña
cantidad que fluye por el medidor sigue siendo proporcional a la intensidad
total. Al utilizar esta proporcionalidad, el galvanómetro se puede emplear para
medir intensidades de varios cientos de amperios.
Un microamperímetro está
calibrado en millonésimas de amperio y un miliamperímetro en milésimas de
amperio.
|
5.3
|
Galvanómetros de corriente alterna: electrodinamómetros y galvanómetros
de resonancia
|
Los galvanómetros convencionales
no se pueden emplear para medir corrientes alternas porque las oscilaciones de
la corriente producirían una inclinación en las dos direcciones.
Una variante del galvanómetro,
el electrodinamómetro, se puede utilizar para medir corrientes alternas
mediante una inclinación electromagnética. Este medidor contiene una bobina
fija situada en serie con una bobina móvil, que se utiliza en lugar del imán
permanente del galvanómetro. Dado que la corriente de la bobina fija y la móvil
se invierte en el mismo momento, la inclinación de la bobina móvil tiene lugar
siempre en el mismo sentido, produciéndose una medición constante de la
intensidad. El electrodinamómetro también sirve para medir corrientes
continuas.
El galvanómetro de resonancia
es un galvanómetro de cuadro móvil que se utiliza para detectar y medir
corrientes alternas muy débiles. Las características del aparato se eligen de
manera que el cuadro móvil tenga un periodo de oscilación igual al de la
corriente estudiada para que el galvanómetro entre en resonancia con la
corriente.
|
5.4
|
Medidores de termopar
|
Para medir corrientes alternas
de alta frecuencia se utilizan medidores que dependen del efecto calorífico de
la corriente. En los medidores de termopar se hace pasar la corriente por un
hilo fino que calienta la unión del termopar. La electricidad generada por el
termopar se mide con un galvanómetro convencional. En los medidores de hilo
incandescente la corriente pasa por un hilo fino que se calienta y se estira.
El hilo está unido a un puntero móvil que se desplaza por una escala calibrada
en amperios. Véase Termoelectricidad.
|
6
|
MEDICIÓN DEL VOLTAJE
|
Osciloscopio
El osciloscopio se utiliza a menudo para
tomar medidas en circuitos eléctricos. Es especialmente útil porque puede
mostrar cómo varían dichas medidas a lo largo del tiempo, o cómo varían dos o
más medidas una respecto de otra.
El instrumento más utilizado
para medir la diferencia de potencial (voltaje) es un galvanómetro que cuenta
con una gran resistencia unida en serie a la bobina. Cuando se conecta un
medidor de este tipo a una batería o a dos puntos de un circuito eléctrico
entre los que existe una diferencia de potencial, circula una cantidad reducida
de corriente (limitada por la resistencia en serie) a través del medidor. La
corriente es proporcional al voltaje, que se puede medir si el galvanómetro se
calibra para ello. Cuando se usa el tipo adecuado de resistencias en serie, un
galvanómetro sirve para medir niveles muy distintos de voltajes. El instrumento
más preciso para medir una fuerza electromotriz es el potenciómetro, que mide
esta magnitud al compararla con una fuerza electromotriz variable y de valor
conocido, opuesta a la que se quiere medir.
Para medir voltajes de
corriente alterna se utilizan medidores de alterna con alta resistencia
interior, o medidores similares con una fuerte resistencia en serie.
Los demás métodos de medición
del voltaje utilizan tubos de vacío y circuitos electrónicos y resultan muy
útiles para hacer mediciones a altas frecuencias. Un dispositivo de este tipo
es el voltímetro de tubo de vacío. En la forma más simple de este tipo de
voltímetro se rectifica una corriente alterna en un tubo de diodo y se mide la
corriente rectificada con un galvanómetro convencional. Otros voltímetros de
este tipo utilizan las características amplificadoras de los tubos de vacío
para medir voltajes muy bajos. El osciloscopio de rayos catódicos se emplea
también para hacer mediciones de voltaje, ya que la inclinación del haz de electrones
es proporcional al voltaje aplicado a las placas o electrodos del tubo.
|
7
|
OTROS TIPOS DE MEDICIONES
|
|
7.1
|
Puente de Wheatstone
|
Puente de Wheatstone
Este circuito, denominado puente de
Wheatstone, está formado por tres resistencias conocidas y una desconocida,
conectadas a una fuente de corriente continua y a un galvanómetro. Variando el
valor de una de las resistencias conocidas, el puente se puede ajustar a
cualquier valor de la resistencia desconocida, que se calcula a partir de los
valores de las otras resistencias.
Las mediciones más precisas
de la resistencia se obtienen con un circuito llamado puente de Wheatstone, en
honor al físico británico Charles Wheatstone. Este circuito consiste en tres
resistencias conocidas y una resistencia desconocida, conectadas entre sí en
forma de diamante. Se aplica una corriente continua a través de dos puntos
opuestos del diamante y se conecta un galvanómetro como detector de cero a los
otros dos puntos. Cuando todas las resistencias se nivelan, las corrientes que
circulan por los dos brazos del circuito se igualan, lo que elimina el paso de
corriente por el galvanómetro. Variando el valor de una de las resistencias conocidas,
el puente se puede ajustar a cualquier valor de la resistencia desconocida, que
se calcula a partir de los valores de las otras resistencias. Se emplean
puentes de este tipo para medir la inductancia y la capacitancia de los
componentes de un circuito. Para ello se sustituyen las resistencias por
inductancias y capacitancias conocidas. Estos puentes se suelen denominar
puentes de corriente alterna porque se utilizan fuentes de corriente alterna en
lugar de corriente continua. A menudo los puentes se nivelan con un timbre en
vez de un galvanómetro, que cuando el puente no está nivelado emite un sonido
que corresponde a la frecuencia de la fuente de corriente alterna; cuando se ha
nivelado no se escucha ningún tono.
|
7.2
|
Vatímetros
|
La potencia consumida por
cualquiera de las partes de un circuito se mide con un vatímetro, un
instrumento parecido al electrodinamómetro. El vatímetro tiene su bobina fija
dispuesta de forma que la atraviese toda la intensidad del circuito, mientras
que la bobina móvil se conecta en serie con una resistencia grande y sólo deja
pasar una parte proporcional del voltaje de la fuente. La inclinación
resultante de la bobina móvil depende tanto de la intensidad como del voltaje y
se puede calibrar directamente en vatios, ya que la potencia es el producto del
voltaje y la intensidad de la corriente.
|
7.3
|
Contadores de servicio
|
El contador de servicio es
un dispositivo que mide la energía total consumida en un circuito eléctrico
doméstico. Es parecido al vatímetro, pero se diferencia de éste en que la
bobina móvil se reemplaza por un rotor. El rotor, controlado por un regulador
magnético, gira a una velocidad proporcional a la cantidad de potencia
consumida. El eje del rotor está conectado con engranajes a un conjunto de
indicadores que registran el consumo total en vatios por hora.
