Medidas Eléctricas, Instrumentos para TECNOL.

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Tecnología

1. Generalidades. Los instrumentos de medida, en general, tienen como objeto la descripción cuantitativa del comportamiento de un cierto fenómeno físico. Los instrumentos para m. e., en particular, son aquellos que realizan las funciones anteriores en todos los fenómenos de origen eléctrico. Es natural que su número sea muy elevado, pues son muchas las magnitudes de naturaleza eléctrica o electromagnética y, sobre todo, porque existen muchas variantes sobre un mismo instrumento, según sea para ser utilizado en investigación científica, técnica, en aplicaciones industriales, etc. Las m. e. desempeñan un importante papel en la industria, en las comunicaciones, en la investigación pura, en la Medicina y en tantas otras ramas del saber humano, y esto ha hecho proliferar enormemente el número de instrumentos empleados.

Muchas de las m. e. pueden hacerse de una manera simple y directa sin más que colocar el instrumento necesario para ello en el lugar oportuno, el cual nos proporciona directamente el valor de la medida en cuestión; otras veces sucede que los instrumentos de medida son dispositivos especiales que requieren la utilización conjunta de dispositivos auxiliares y un proceso previo de calibrado o ajuste. Ejemplos de los citados en primer lugar son los voltímetros, amperímetros, etc., y de los segundos, los potenciómetros, puentes de medidas, etc.

Los instrumentos para m. e. se basan en diversos efectos de origen eléctrico, tales como electrostáticos, electromagnéticos, electrodinámicos, térmicos, electrónicos, resonantes, etc., que sirven, además, para hacer una clasificación general.

2. Instrumentos electrostáticos. Son aquellos cuyo funcionamiento se basa en un fenómeno de naturaleza electrostática. Entre los más característicos se encuentran el electrómetro y el voltímetro electrostático, que es una modificación de aquél.

El electrómetro sirve para medir cantidades de electricidad (cargas). Entre sus variantes está el electrómetro de cuerda, que consiste en un hilo estirado bajo una pequeña tensión, situado entre dos láminas metálicas, A y B, cargadas positiva y negativamente. Si se proporciona al hilo una carga eléctrica, se ejercen fuerzas sobre él, procedentes de las placas, que lo curvan ligeramente (fig. 1) y mediante un microscopio puede leerse el desplazamiento de su punto medio, el cual, previo calibrado del instrumento, da una medida de la carga situada sobre el hilo.

La fuerza mecánica de atracción que se ejercen entre sí dos láminas metálicas cargadas con cargas iguales y opuestas es el fundamento de los voltímetros electrostáticos, entre los cuales podemos citar el electrómetro de discos, en el que un disco circular A forma una de las armaduras de un condensador plano que es atraído hacia la otra armadura cuando ésta se carga con un potencial distinto al de la primera. La armadura A está suspendida de uno de los brazos de una balanza de brazos iguales y la fuerza de atracción se mide por el contrapeso que es necesario colocar en el otro brazo para mantener el equilibrio. Tras un proceso de calibrado es inmediata la medida de diferencias de potencial con dicho instrumento.

3. Instrumentos electromagnéticos. Se basan en el par ejercido sobre un solenoide o imán móvil cuando se sitúanen un campo magnético. La magnitud eléctrica que utilizan para su cometido suele ser la corriente, aunque esto no quiere decir que únicamente sirvan para medir intensidades de la misma. Existen variantes para corriente alterna y para corriente continua y pueden clasificarse en: de imán móvil y de cuadro móvil.

Los instrumentos de imán móvil consisten en una pequeña bobina de radio y número de espiras conocidos, en el centro de la cual se encuentra una aguja imantada suspendida de un hilo cuya constante de torsión sea nula. Cuando no circula corriente por la bobina, la aguja imantada se encuentra sometida sólo a la acción del campo magnético terrestre y se orienta según el meridiano magnético del lugar (v. MAGNETISMO u), posición que se toma como de referencia. La bobina, de N espiras de radio a, se encuentra en una posición tal que su eje sea normal a la aguja en su posición de cero. Cuando circula una corriente I por la bobina, el imán está sometido a una nueva acción, la del campo magnético creado por dicha corriente y, en consecuencia, sobre él actúan dos pares antagónicos debidos a la corriente I y al campo magnético terrestre; el primero, que tiende a colocarlo perpendicularmente a la espira, y el segundo, a ponerlo paralelamente a la misma. En el equilibrio, la aguja forma un ángulo w con la posición de cero, tal que los dos pares antagónicos sean iguales, y si M representa al momento magnético del imán se cumplirá MBT sen ~p=MB cos cpdonde BT es el campo magnético terrestre y B el creado por el solenoide, y como NIB=No 2 atendremos

2HTaI= N t8 ~

Obsérvese que la intensidad medida es proporcional a la tangente del ángulo, por lo que al instrumento se le conoce con el nombre de brújula de tangentes. Estos dispositivos tienen el inconveniente de que utilizan el valor del campo magnético terrestre, el cual no es constante ni con la posición geográfica ni con el tiempo (v. II) y para salvar esta dificultad suelen construirse con un campo magnético constante creado por un imán permanente adosado al instrumento y la escala sobre la cual se desplaza el índice de medida se gradúa de forma que su lectura proporcione directamente la medida de la corriente.

Los instrumentos de cuadro móvil constan de una bobina móvil o cuadro, generalmente de forma rectangular, formada por un gran número de espiras de hilo de cobre muy fino arrolladas sobre un cilindro de hierro dulce y suspendida mediante un hilo conductor en presencia del campo magnético producido por un potente imán. El campo que atraviesa el cuadro es radial para que el flujo, a través del mismo, sea constante. Cuando circula por el cuadro una corriente 1, aparece un par sobre el mismo de módulo

L=NIB.a.b=NIBS

donde a y b son los lados del rectángulo de la bobina y S el área de la misma. Este par hace girar al cuadro un ángulo ~p hasta que el par de torsión recuperador, -k,p, del hilo de suspensión, lo equilibre, por lo que se cumple entonces

NISB = k~p

de donde se deduce

kI NSBA

sí, pues, la desviación angular del cuadro es proporcional a la intensidad que circula por él. Esta desviación se mide mediante un sistema óptico consistente en un rayo de luz que, al incidir sobre un espejo unido al hilo de suspensión, se refleja para ir hasta una escala graduada en la que se realiza la lectura tras un proceso de calibrado. Estos sencillos instrumentos, que reciben el nombre genérico de galvanómetros, son de gran precisión y extraordinaria sensibilidad (pueden medir corrientes de 10-9 A), por lo que se hacen imprescindibles en todo laboratorio de electricidad. El galvanómetro propiamente dicho, como acabamos de decir, lleva consigo un sistema óptico independiente del mismo y para hacer medidas hay que hacer un calibrado previo de acuerdo con la posición que respecto al pequeño espejo ocupe la escala graduada del sistema óptico (fig. 2)

Ligeras modificaciones en estos instrumentos conducen a los voltímetros y amperímetros, tan utilizados en la práctica, y que en esencia no son más que galvanómetros menos sensibles en los que el sistema óptico ha sido sustituido por una escala inamovible fijada al propio instrumento y graduada ya directamente en voltios o amperios, según el caso.

Un factor muy importante en la utilización del galvanómetro es el amortiguamiento, que es debido a las corrientes inducidas en el carrete al moverse en el campo magnético. Para disminuirlo se introducen resistencias elevadas en el circuito del cuadro móvil. Con resistencias adecuadas puestas en derivación, puede modificarse a voluntad este amortiguamiento hasta darle un valor crítico para el cual el carrete se detiene en cuanto alcanza la posición de equilibrio.

Las diferencias entre el galvanómetro y los amperímetros y voltímetros radican en que estos instrumentos no tienen el carrete en suspensión sino que éste gira entre dos puntas, sin rozamiento apenas, y el par recuperador se debe a dos muelles en espiral colocados a uno y otro lado del carrete y que obran en sentidos contrarios, de forma que uno se arrolla cuando se desarrolla el otro.

Al igual que en el galvanómetro, el amortiguamiento en los amperímetros y voltímetros se debe a las corrientes inducidas en el carrete por su movimiento en el campo magnético y, a igualdad de otras circunstancias, depende de la resistencia del circuito. Esto da lugar a que, de no tomar las debidas precauciones, el tiempo de lectura varía de unas medidas a otras. Para superar este inconveniente se conecta en paralelo con el carrete una resistencia que sea mucho menor que la del carrete, con lo que la resistencia total del circuito recorrido por las corrientes inducidas se mantiene siempre muy próxima a la del carrete en las circunstancias más diversas.

Con resistencias adecuadas puestas en serie o en derivación, un mismo instrumento se puede utilizar como amperímetro o como voltímetro e incluso se puede modificar en ambos casos la sensibilidad.

Otra modificación del galvanómetro ordinario consiste en aumentar mucho el momento de inercia del cuadro móvil, en cuyo caso recibe la denominación de galvanómetro balístico, instrumento especialmente apto para la medida de cantidades de electricidad o cargas. Cuando se le hace llegar una carga Q en un tiempo muy corto funciona igual que un péndulo balístico cuando recibe el impacto de una bala (de ahí su nombre). Se demuestra que la desviación máxima es proporcional a la carga que atraviesa el cuadro

Q=K~Pm

donde K, constante balística, se determina experimentalmente, p. ej., mediante la descarga de un condensador de capacidad conocida.

Todos los instrumentos anteriormente citados se utilizan tanto en corriente continua como en alterna. Para la medida en corrientes alternas se modifican los instrumentos de corriente continua en el sentido de que se introducen en ellos unos circuitos rectificadores que permitan operar bajo los mismos principios. Otras veces, como sucede con el galvanómetro de vibraciones, se aprovechan las características de frecuencia de la corriente alterna para obligar al cuadro móvil a ejecutar oscilaciones forzadas con una frecuencia igual a la de la corriente. La amplitud de las oscilaciones dependerá de la forma de la curva de resonancia (v.). Estos instrumentos suelen emplearse como instrumentos de cero, es decir, para apreciar de manera muy sensible cuándo deja de pasar corriente.

4. Instrumentos electrodinámicos. Están basados en la ley de acción entre corrientes. Existen diversas variantes de los mismos entre las cuales podemos citar las llamadas balanzas electrodinámicas y los electrodinamómetros.

Las balanzas electrodinámicas se utilizan para medidas de corrientes, indicándose en la fig. 3 en esquema una de ellas. El solenoide Al es largo y horizontal, llevando en su eje un segundo solenoide, A2, pequeño y de eje vertical, unido al brazo de una balanza. Ambos solenoides están conectados en serie y se hace pasar por ellos la corriente I que se pretende medir. El carrete mayor crea un campo magnético que al actuar sobre el carrete pequeño ejerce un par sobre el mismo desequilibrando la balanza, debiéndose añadir un peso P para establecer el equilibrio. Se puede demostrar que

I=~ 1 JPI FcanIN2S

en donde 1 es el brazo de la balanza y ni y N2 las espiras de cada uno de los solenoides. Estos instrumentos se utilizan indistintamente para corriente continua y alterna. Casi todos los instrumentos de corriente alterna son de este tipo, sustituyéndose la balanza por una aguja unida al solenoide móvil que se desplaza sobre una escala. En este caso el instrumento recibe el nombre de electrodinamómetro que al igual que sucedía con el galvanómetro, puede utilizarse como voltímetro o como amperímetro sin más que disponer de una colección de resistencias adecuadas

Si uno de los dos carretes se monta en derivación con los bornes de un aparato generador, para lo que debe ir provisto de una resistencia adecuada, y el otro en serie con el mismo, se obtendrá en la escala una indicación proporcional al producto del voltaje instantáneo por la intensidad instantánea del generador, o sea, a la potencia instantánea suministrada por dicho generador, por lo que se dice que el electrodinamómetro funciona como vatímetro.

5. Instrumentos térmicos. Se basan en los efectos que produce la temperatura sobre determinadas magnitudes eléctricas, que son de dos clases: el efecto Joule y el termoeléctrico

Los instrumentos basados en el efecto Joule se fundan en el alargamiento que experimenta un alambre de platino e iridio, al ser recorrido por la corriente que se quiere medir, a consecuencia del calor producido y de la dilatación subsiguiente. Como dicho efecto es proporcional al cuadrado de la intensidad, estos instrumentos sirven lo mismo para corriente continua que para alterna

Los que utilizan el efecto termoeléctrico, en lugar de apreciar la corriente por la dilatación que produce lo hacen en función del termopar originado en el proceso, auxiliándose de un galvanómetro (v. TERMOELECTRICIDAD).

6. Instrumentos electrónicos. Son muchos y variados los instrumentos que haciendo uso de dispositivos electrónicos permiten realizar m. e. El más importante de todos es el oscilógrafo (v.) de rayos catódicos, que puede utilizarse para medida de tensiones, intensidades, frecuencias, ciclos de histéresis, características de elementos de circuitos tales como válvulas electrónicas, etc

Otros instrumentos de este tipo están constituidos por multitud de circuitos que desempeñan un papel auxiliar en las medidas, tales como rectificadores, amplificadores, conversores, osciladores, etc.

7. Instrumentos de circuitos. Están constituidos principalmente por los circuitos potenciométricos y por los circuitos puente.

El término potenciómetro se utiliza para designar cualquier elemento resistivo en que además de los dos termi-, nales de entrada y salida existan otras tomas intermedias, por lo que recibe también el nombre de divisor de tensión. Se utiliza, asimismo, para designar una resistencia de precisión de este tipo que junto con unos dispositivos auxiliares sirve para medir por comparación fuerzas electromotrices, diferencias de potencial, resistencias y calibrar instrumentos como los, amperímetros y voltímetros. El principio de operación es muy simple y consiste en conectar en serie con la resistencia de precisión R otra resistencia r, que sirve para controlar el paso de corriente procedente del generador E (fig. 4). La resistencia R tiene una toma intermedia fija C y otra deslizable D. Entre los puntos A y C se conecta una pila patrón de fuerza electromotriz conocida (generalmente del tipo Weston) en serie con un galvanómetro G, y mediante la resistencia r se controla la intensidad que circula por el circuito hasta conseguir que el galvanómetro G, no aprecie corriente alguna. Si ahora se introduce en el circuito una segunda pila, como indica la figura y mediante el cursor deslizable se vuelve a obtener la misma condición de ausencia de corriente a través del galvanómetro Gz, se cumplirá Rp Ep- R Es sdonde Rp y RS son las resistencias que corresponden a las longitudes AD y AC de la resistencia de precisión R. Convenientemente modificado, este sencillo instrumento, operando bajo los mismos principios, se utiliza también en corriente alterna aunque ni es tan sencillo como el de corriente continua ni tiene la enorme utilidad que tiene este último como instrumento de laboratorio.

Los circuitos puente son circuitos que permiten medir, también por comparación, las características de los elementos de circuito. El más sencillo, conocido como puente de Wheatstone, está indicado en la fig. 5 y se utiliza para la medida de resistencias. El principio de operación está basado en la condición de equilibrio del puente, consistente en que no circule corriente por el galvanómetro G, en cuyo caso (v. CIRCUITOS ELÉCTRICOS) se cumple la siguiente relación:R, Rz Rs Ray del conocimiento de tres de estos elementos se puede obtener el cuarto.

En corriente alterna son extraordinariamente utilizados para la medida de capacidades y de autoinducciones, pues en este caso los condensadores y las bobinas, junto con las resistencias, forman los elementos del circuito, generalizándose todo lo anteriormente dicho para las resistencias a las impedancias.

8. Elementos auxiliares. Podemos considerar como tales todos aquellos que de una u otra manera intervienen en la realización de las medidas y entre los cuales podemos distinguir: elementos patrones, como las pilas patrones, las resistencias, inductancias y capacidades patrones; elementos adaptadores, como los transformadores de tensión o intensidad que permiten modificar las escalas de las medidas adaptándolas a los instrumentos disponibles; fuentes de alimentación; registradores gráficos y otros muchos.

V. t.: MAGNETISMO III.

F. SÁNCHEZ QUESADA.

BIBL.: G. P. HARNWELL, Principios de Electricidaa y Electromagnetismo, Madrid 1961; J. PALACIOS, Electricidad y Magnetismo, 2 ed. Madrid 1959; B. 1. BLEANEY y B. BLEANEY, Electricity and Magnetism, Oxford 1962; W. H. WESTPHAL, Prácticas de Física, Madrid 1965