SEMANA UNO
INSTRUMENTOS DE
MEDICIÓN ELÉCTRICA
La importancia de los instrumentos eléctricos de medición es incalculable, ya que
mediante el uso de ellos se miden e indican magnitudes eléctricas, como
corriente, carga, potencial y energía, o las características eléctricas de
los circuitos, como la resistencia, la capacidad, la capacitancia y
la inductancia. Además que permiten localizar las causas de una operación
defectuosa en aparatos eléctricos en los cuales, como es bien sabidos, no es
posible apreciar su funcionamiento en una forma visual, como en el caso de un
aparato mecánico.
La información que suministran los instrumentos de medición eléctrica
se da normalmente en una unidad eléctrica estándar: ohmios, voltios, amperios,
culombios, henrios, faradios, vatios o julios.
Unidades eléctricas, unidades empleadas para medir
cuantitativamente toda clase de fenómenos electrostáticos
y electromagnéticos, así como las características electromagnéticas de los
componentes de un circuito eléctrico. Las unidades eléctricas empleadas en
técnica y ciencia se definen en el Sistema Internacional de unidades.
Sin embargo, se siguen utilizando algunas unidades más antiguas.
Unidades SI
La unidad de intensidad de corriente en el Sistema Internacional
de unidades es el amperio. La unidad de carga eléctrica es el culombio, que es
la cantidad de electricidad que pasa en un segundo por
cualquier punto de un circuito por el que fluye una corriente de 1 amperio. El
voltio es la unidad SI de diferencia de potencial y se define como la
diferencia de potencial que existe entre dos puntos cuando es necesario
realizar un trabajo de 1 julio para mover una
carga de 1 culombio de un punto a otro. La unidad de potencia eléctrica es el vatio, y
representa la generación o consumo de 1 julio de energía
eléctrica por segundo. Un kilovatio es igual a 1.000 vatios.
Las unidades también tienen las siguientes definiciones
prácticas, empleadas para calibrar instrumentos: el amperio es la cantidad de
electricidad que deposita 0,001118 gramos de plata por segundo en uno de los
electrodos si se hace pasar a través de una solución de nitrato de plata; el
voltio es la fuerza electromotriz necesaria para
producir una corriente de 1 amperio a través de una resistencia de 1 ohmio, que
a su vez se define como la resistencia eléctrica de una columna de mercurio de 106,3 cm de altura y 1
mm2 de sección transversal a una temperatura de 0 ºC. El voltio
también se define a partir de una pila voltaica patrón, la denominada pila de
Weston, con polos de amalgama de cadmio y sulfato de mercurio (I) y un
electrólito de sulfato de cadmio. El voltio se define como 0,98203 veces el
potencial de esta pila patrón a 20 ºC.
En todas las unidades eléctricas prácticas se emplean los
prefijos convencionales del sistema métrico para indicar fracciones y múltiplos
de las unidades básicas. Por ejemplo, un microamperio es una millonésima de
amperio, un milivoltio es una milésima de voltio y 1 megaohmio es un millón de
ohmios.
Resistencia, capacidad e inductancia
Todos los componentes de un circuito eléctrico exhiben en mayor
o menor medida una cierta resistencia, capacidad e inductancia. La unidad de
resistencia comúnmente usada es el ohmio, que es la resistencia de un conductor
en el que una diferencia de potencial de 1 voltio produce una corriente de 1
amperio. La capacidad de un condensador se mide en faradios: un condensador de
1 faradio tiene una diferencia de potencial entre sus placas de 1 voltio cuando
éstas presentan una carga de 1 culombio. La unidad de inductancia es el henrio.
Una bobina tiene una autoinductancia de 1 henrio cuando un cambio de 1 amperio/segundo en
la corriente eléctrica que fluye a través de
ella provoca una fuerza electromotriz opuesta de 1 voltio. Un transformador, o
dos circuitos cualesquiera magnéticamente acoplados, tienen una inductancia
mutua de 1 henrio cuando un cambio de 1 amperio por segundo en la corriente del
circuito primario induce una tensión de 1 voltio en el circuito secundario.
Dado que todas las formas de la materia presentan una o más
características eléctricas es posible tomar mediciones eléctricas de un número
ilimitado de fuentes.
Mecanismos básicos de los medidores
Por su propia naturaleza, los valores eléctricos no pueden medirse
por observación directa. 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, el instrumento de medida inventado hace
más tiempo, la fuerza que se produce entre
un campo magnético y una bobina inclinada
por la que pasa una corriente 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
corriente eléctrica. La acción electromagnética entre
corrientes, la fuerza entre cargas eléctricas y el calentamiento causado por
una resistencia conductora son algunos de los métodos utilizados para obtener
mediciones eléctricas analógicas.
Calibración de los medidores
Para garantizar la uniformidad y la precisión de las medidas los
medidores eléctricos se calibran conforme a los patrones de medida aceptados
para una determinada unidad eléctrica, como el ohmio, el amperio, el voltio o
el vatio.
Patrones principales y medidas absolutas
Los patrones principales del ohmio y el amperio de basan en
definiciones de estas unidades aceptadas en el ámbito internacional y basadas
en la masa, el tamaño 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.
Medidores de corriente
Galvanómetros
Los galvanómetros son los instrumentos principales en la
detección y medición de la corriente. Se basan en las interacciones entre una
corriente eléctrica y un imán. El mecanismo del galvanómetro está diseñado de
forma que un imán permanente o un electroimán produce un campo magnético, lo
que genera una fuerza cuando hay un flujo de corriente en una bobina cercana al
imán. 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. Este
elemento móvil puede contar con un puntero o algún otro dispositivo que permita
leer en un dial el grado de inclinación.
El galvanómetro de inclinación de D'Arsonval utiliza un pequeño
espejo unido a una bobina móvil y que refleja un haz de luz hacia un dial situado a una
distancia aproximada de un metro. Este sistema tiene menos inercia y fricción
que el puntero, lo que permite mayor precisión. Este instrumento debe su nombre
al biólogo y físico francés Jacques D'Arsonval, que también hizo algunos experimentos con el equivalente mecánico
del calor y con la corriente oscilante
de alta frecuencia y alto amperaje (corriente D'Arsonval) utilizada en el
tratamiento de algunas enfermedades, como la artritis. Este
tratamiento, llamado diatermia, consiste en calentar una parte del cuerpo
haciendo pasar una corriente de alta frecuencia entre dos electrodos colocados
sobre la piel. Cuando se añade al galvanómetro
una escala graduada y una calibración adecuada, se obtiene un amperímetro,
instrumento que lee la corriente eléctrica en amperios. D'Arsonval es el
responsable de la invención del amperímetro de corriente continua.
Sólo puede pasar una cantidad pequeña de corriente por el fino
hilo de la bobina de un galvanómetro. Si hay que medir corrientes mayores, se
acopla una derivación de baja resistencia a los terminales del medidor. La
mayoría de la corriente pasa por la resistencia de la derivación, pero la
pequeña cantidad que fluye por el medidor sigue siendo proporcional a la
corriente total. Al utilizar esta proporcionalidad el galvanómetro se emplea
para medir corrientes de varios cientos de amperios.
Los galvanómetros tienen denominaciones distintas según la
magnitud de la corriente que pueden medir.
Microamperímetros
Un microamperímetro está calibrado en millonésimas de amperio y
un miliamperímetro en milésimas de amperio.
Los galvanómetros convencionales no pueden utilizarse para medir
corrientes alternas, porque las oscilaciones de la corriente producirían una inclinación
en las dos direcciones.
Electrodinamómetros
Sin embargo, una variante del galvanómetro, llamado
electrodinamómetro, puede utilizarse 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 corriente. Los
medidores de este tipo sirven también para medir corrientes continuas.
Medidores de aleta de hierro
Otro tipo de medidor electromagnético es el medidor de aleta
de hierro o de hierro dulce. Este
dispositivo utiliza dos aletas de hierro dulce, una fija y otra móvil,
colocadas entre los polos de una bobina cilíndrica y larga por la que pasa la
corriente que se quiere medir. La corriente induce una fuerza magnética en las
dos aletas, provocando la misma inclinación, con independencia de la dirección de la corriente. La cantidad
de corriente se determina midiendo el grado de inclinación de la aleta móvil.
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 de
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 mecánicamente a un
puntero móvil que se desplaza por una escala calibrada con valores de corriente.
Medición del voltaje
El instrumento más utilizado para medir la diferencia de
potencial (el voltaje) es un galvanómetro que cuenta con una gran resistencia
unida a la bobina. Cuando se conecta un medidor de este tipo a una batería o a
dos puntos de un circuito eléctrico con diferentes potenciales pasa una
cantidad reducida de corriente (limitada por la resistencia en serie) a través
del medidor. La corriente es proporcional al voltaje, que puede medirse 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 el voltaje, la resistencia o la corriente continua es el
potenciómetro, que indica una fuerza electromotriz no valorada al compararla
con un valor conocido.
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 usa
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.
Otros tipos de mediciones
Puente de Wheatstone
Las mediciones más precisas de la resistencia se obtienen con un
circuito llamado puente de Wheatstone, en honor del 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 a los otros dos puntos. Cuando todas las resistencias se nivelan,
las corrientes que fluyen por los dos brazos del circuito se igualan, lo que
elimina el flujo de corriente por el galvanómetro. Variando el valor de una de
las resistencias conocidas, el puente puede ajustarse a cualquier valor de la
resistencia desconocida, que se calcula a partir los valores de las otras
resistencias. Se utilizan puentes de este tipo para medir la inductancia y la
capacitancia de los componentes de circuitos. Para ello se sustituyen las
resistencias por inductancias y capacitancias conocidas. Los puentes de este
tipo suelen denominarse 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 lugar 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.
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
toda la corriente del circuito la atraviese, 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 corriente como del voltaje y puede calibrarse
directamente en vatios, ya que la potencia es el producto del voltaje y la corriente.
Contadores de servicio
El medidor de vatios por hora, también llamado 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.
Un amperímetro en términos
generales, es un simple galvanómetro (instrumento
para detectar pequeñas cantidades de corriente), con una resistencia en
paralelo, llamada "resistencia shunt". El amperímetro se utiliza para medir la intensidad de
las corrientes eléctricas. Disponiendo de una gama de resistencias shunt,
se puede disponer de un amperímetro con varios rangos o intervalos de medición.
Los amperímetros tienen una resistencia interna muy pequeña, por debajo de
1 ohmio, con la finalidad de que
su presencia no disminuya la corriente a medir cuando se conecta a un circuito eléctrico
Su diseño se compone de una
pequeña batería para aplicar
un voltaje a la resistencia de baja
medida, para luego, mediante un galvanómetro, medir la corriente que circula a través de la resistencia.
La escala del galvanómetro que está
calibrada directamente en ohmios, ya que en aplicación de la ley de Ohm, al ser fijo el voltaje de la
batería, la intensidad circulante a través del galvanómetro sólo va a depender
del valor de la resistencia bajo medida, esto es, a menor resistencia mayor
intensidad de corriente y viceversa.
Existen también
otros tipos de óhmetros más exactos y sofisticados, en los que la batería ha
sido sustituida por un circuito que genera una corriente de intensidad
constante I, la cual se hace circular a través de la
resistencia R bajo prueba. Luego, mediante otro circuito se
mide el voltaje V en los extremos de la resistencia. De
acuerdo con la ley de Ohm el valor de R vendrá dado por:
Para medidas de
alta precisión la disposición indicada anteriormente no es apropiada, por
cuanto que la lectura del medidor es la suma de la resistencia de los cables de
medida y la de la resistencia bajo prueba.
Para evitar este inconveniente, un óhmetro de precisión tiene cuatro terminales, denominados contactos Kelvin. Dos terminales llevan la corriente constante desde el medidor a la resistencia, mientras que los otros dos permiten la medida del voltaje directamente entre terminales de la misma, con lo que la caída de tensión en los conductores que aplican dicha corriente constante a la resistencia bajo prueba no afecta a la exactitud de la medida.
Para evitar este inconveniente, un óhmetro de precisión tiene cuatro terminales, denominados contactos Kelvin. Dos terminales llevan la corriente constante desde el medidor a la resistencia, mientras que los otros dos permiten la medida del voltaje directamente entre terminales de la misma, con lo que la caída de tensión en los conductores que aplican dicha corriente constante a la resistencia bajo prueba no afecta a la exactitud de la medida.
El Óhmetro fue inventado por el
físico alemán George Simon Alfred Ohm.
Sensibilidad de los instrumentos
La sensibilidad de un instrumento se determina por la intensidad
de corriente necesaria para producir una desviación completa de la aguja
indicadora a través de la escala. El grado de sensibilidad se expresa de dos maneras,
según se trate de un amperímetro o de un voltímetro.
En el primer caso, la sensibilidad del instrumento se indica por
el número de amperios, miliamperios o microamperios que deben fluir por la
bobina para producir una desviación completa. Así, un instrumento que tiene una
sensibilidad de 1 miliamperio, requiere un miliamperio para producir dicha
desviación, etcétera.
En el caso de un voltímetro, la sensibilidad se expresa de
acuerdo con el número de ohmios por voltio, es decir, la resistecia del instrumento.
Para que un voltímetro sea preciso, debe tomar una corriente insignificante del
circuito y esto se obtiene mediante alta resitencia.
El número de ohmios por voltio de un voltímetro se obtiene
dividiendo la resistencia total del instrumento entre el voltaje máximo que
puede medirse. Por ejemplo, un instrumento con una resistencia interna de
300000 ohmios y una escala para un máximo de 300 voltios, tendrá una
sensibilidad de 1000 ohmios por voltio. Para trabajo general, los voltímetros
deben tener cuando menos 1000 ohmios por voltio.
VIDEOSDE REFUERZO
https://www.youtube.com/watch?v=wiY9mryUoEg
https://www.youtube.com/watch?v=zetyZP3Rw54
VIDEOSDE REFUERZO
https://www.youtube.com/watch?v=wiY9mryUoEg
https://www.youtube.com/watch?v=zetyZP3Rw54
RESISTENCIAS
Las resistencias o resistores son dispositivos que se usan en
los circuitos eléctricos para limitar el paso de la corriente, las resistencias
de uso en electrónica son llamadas
"resistencias de carbón" y usan un código de colores como se ve a continuación
para identificar el valor en ohmios de la resistencia en cuestión.
El sistema para usar este código de colores es el siguiente: La
primera banda de la resistencia indica el primer dígito significativo, la
segunda banda indica el segundo dígito significativo, la tercera banda indica
el número de ceros que se deben añadir a los dos dígitos anteriores para saber
el valor de la resistencia, en la cuarta banda se indica el rango de tolerancia entre el cual puede oscilar
el valor real de la resistencia.
TALLER
1. Tomar nota de la información en el cuaderno
2 Realizar los gráficos de cada instrumento de medición
3. Tomar evidencias y enviarlas al correo (oscarhernandonm@gmail.com)
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