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20.4: Voltímetros y Amperímetros

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    objetivos de aprendizaje

    • Comparar la conexión de circuito de un amperímetro y un voltímetro

    Voltímetros y amperímetros miden el voltaje y la corriente, respectivamente, de un circuito. Algunos medidores en tableros de instrumentos de automóviles, cámaras digitales, teléfonos celulares y amplificadores sintonizadores son voltímetros o amperímetros.

    Voltímetros y Amperímetros: Una breve introducción a los voltímetros y amperímetros para estudiantes introductorios de física.

    Voltímetros

    Un voltímetro es un instrumento que mide la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos en un circuito eléctrico. Un voltímetro analógico mueve un puntero a través de una escala en proporción al voltaje del circuito; un voltímetro digital proporciona una visualización numérica. Cualquier medición que se pueda convertir en voltaje se puede mostrar en un medidor que esté correctamente calibrado; tales mediciones incluyen presión, temperatura y flujo.

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    Voltímetro: Voltímetro de demostración de una clase de física

    Para que un voltímetro mida el voltaje de un dispositivo, debe estar conectado en paralelo a ese dispositivo. Esto es necesario porque los objetos en paralelo experimentan la misma diferencia de potencial.

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    Voltímetro en Paralelo: (a) Para medir la diferencia de potencial en este circuito en serie, el voltímetro (V) se coloca en paralelo con la fuente de voltaje o cualquiera de las resistencias. Tenga en cuenta que el voltaje del terminal se mide entre los puntos a y b. No es posible conectar el voltímetro directamente a través de la EMF sin incluir su resistencia interna, r. (b) Un voltímetro digital en uso

    Amperímetros

    Un amperímetro mide la corriente eléctrica en un circuito. El nombre se deriva del nombre de la unidad SI para corriente eléctrica, amperios (A).

    Para que un amperímetro mida la corriente de un dispositivo, debe estar conectado en serie a ese dispositivo. Esto es necesario porque los objetos en serie experimentan la misma corriente. No deben estar conectados a una fuente de voltaje — los amperímetros están diseñados para funcionar bajo una carga mínima, (lo que se refiere a la caída de voltaje a través del amperímetro, típicamente una pequeña fracción de un voltio).

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    Amperímetro en Serie: Un amperímetro (A) se coloca en serie para medir la corriente. Toda la corriente en este circuito fluye a través del medidor. El amperímetro tendría la misma lectura si se ubica entre los puntos d y e o entre los puntos f y a, como lo hace en la posición mostrada. (Tenga en cuenta que el guión mayúscula E significa EMF, y r significa la resistencia interna de la fuente de diferencia de potencial.)

    Galvanómetros (medidores analógicos)

    Los medidores analógicos tienen agujas que giran para apuntar a números en una escala, a diferencia de los medidores digitales, que tienen lecturas numéricas.El corazón de la mayoría de los medidores analógicos es un dispositivo llamado galvanómetro, denotado por G. El flujo de corriente a través de un galvanómetro, I G, produce un movimiento proporcional, o deflexión, de la aguja.

    Las dos características cruciales de cualquier galvanómetro son su resistencia y su sensibilidad a la corriente. La sensibilidad de corriente es la corriente que da una desviación a gran escala de la aguja del galvanómetro, es decir, la corriente máxima que el instrumento puede medir. Por ejemplo, un galvanómetro con una sensibilidad de corriente de 50 μA tiene una desviación máxima de su aguja cuando 50 μA fluye a través de ella, está en el punto medio de la escala cuando 25 μA fluye a través de ella, y así sucesivamente.

    Si tal galvanómetro tiene una resistencia de 25-Ω, entonces un voltaje de solo\(\mathrm{V = IR = (50 \mu A)(25 \Omega)=1.25 \; mV}\) produce una lectura a gran escala. Al conectar resistencias a este galvanómetro de diferentes maneras, se puede utilizar como voltímetro o amperímetro para medir un amplio rango de voltajes o corrientes.

    Galvanómetros como voltímetros

    Un galvanómetro puede funcionar como voltímetro cuando se conecta en serie con una gran resistencia R. El valor de R está determinado por el voltaje máximo que se medirá. Supongamos que desea 10 V para producir una deflexión a gran escala de un voltímetro que contiene un galvanómetro de 25-Ω con una sensibilidad de 50-μA. Entonces 10 V aplicados al medidor deben producir una corriente de 50 μA. La resistencia total debe ser:

    \[\mathrm { R } _ { \mathrm { tot } } = \mathrm { R } + \mathrm { r } = \dfrac { \mathrm { V } } { \mathrm { I } } = \frac { 10 \mathrm { V } } { 50 \mu \mathrm { A } } = 200 \mathrm { k } \Omega\]

    o:

    \[\mathrm { R } = \mathrm { R } _ { \mathrm { tot } } - \mathrm { r } = 200 \mathrm { k } \Omega - 25 \Omega \approx 200 \mathrm { k } \Omega\]

    (R es tan grande que la resistencia del galvanómetro, r, es casi insignificante.) Tenga en cuenta que 5 V aplicado a este voltímetro produce una desviación de media escala al enviar una corriente de 25-μA a través del medidor, por lo que la lectura del voltímetro es proporcional al voltaje, según se desee. Este voltímetro no sería útil para voltajes inferiores a aproximadamente medio voltio, ya que la deflexión del medidor sería demasiado pequeña para leerla con precisión. Para otros rangos de voltaje, otras resistencias se colocan en serie con el galvanómetro. Muchos medidores permiten elegir básculas, lo que implica cambiar una resistencia adecuada en serie con el galvanómetro.

    Galvanómetros como Amperímetros

    El mismo galvanómetro también puede funcionar como amperímetro cuando se coloca en paralelo con una pequeña resistencia R, a menudo llamada resistencia de derivación. Dado que la resistencia de derivación es pequeña, la mayor parte de la corriente pasa a través de ella, permitiendo que un amperímetro mida corrientes mucho mayores que las que producirían una deflexión a gran escala del galvanómetro.

    Supongamos, por ejemplo, que necesitamos un amperímetro que dé una deflexión a gran escala para 1.0 A y que contenga el mismo galvanómetro de 25-Ω con sensibilidad de 50-μA. Dado que R y r están en paralelo, el voltaje a través de ellos es el mismo.

    Estas gotas IR son: IR = I G r

    de manera que:\(\mathrm { IR } = \frac { \mathrm { I } _ { \mathrm { G } } } { \mathrm { I } } = \frac { \mathrm { R } } { \mathrm { r } }\).

    Resolviendo para R, y señalando que IG es 50 μA e I es 0.999950 A, tenemos:

    \[\mathrm { R } = \mathrm { r } \frac { \mathrm { I } _ { \mathrm { G } } } { \mathrm { I } } = ( 25 \Omega ) \frac { 50 \mu \mathrm { A } } { 0.999950 \mathrm { A } } = 1.25 \times 10 ^ { - 3 } \Omega\]

    Mediciones nulas

    Las mediciones nulas equilibran los voltajes para que no fluya corriente a través de los dispositivos de medición que interfiera con la medición.

    objetivos de aprendizaje

    • Explicar por qué se emplean medidas nulas

    Mediciones nulas

    Las mediciones estándar de voltaje y corriente alteran circuitos, introduciendo incertidumbres numéricas. Los voltímetros extraen corriente adicional, mientras que los amperímetros reducen el flujo de corriente Las mediciones nulas equilibran los voltajes, por lo que no fluye corriente a través del dispositivo de medición y el circuito queda inalterado. Las mediciones nulas son generalmente más precisas pero más complejas que los voltímetros y amperímetros estándar. Su precisión sigue siendo limitada.

    El Potenciómetro

    Al medir la EMF de una batería y conectar la batería directamente a un voltímetro estándar, como se muestra en, la cantidad real medida es el voltaje del terminal V. El voltaje está relacionado con el EMF de la batería por V = emf − Ir, donde I es el corriente que fluye y r es la resistencia interna de la batería.

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    Voltímetro Conectado a Batería: Un voltímetro analógico conectado a una batería consume una corriente pequeña pero distinta de cero y mide un voltaje de terminal que difiere del EMF de la batería. (Tenga en cuenta que el guión mayúscula E simboliza la fuerza electromotriz, o EMF.) Dado que la resistencia interna de la batería no se conoce con precisión, no es posible calcular la EMF con precisión.

    El EMF podría calcularse con precisión si se conociera r, lo cual es raro. Si la corriente I pudiera hacerse cero, entonces V = emf, y EMF podría medirse directamente. Sin embargo, los voltímetros estándar necesitan una corriente para funcionar.

    Un potenciómetro es un dispositivo de medición nulo para medir potenciales (voltajes). Una fuente de voltaje está conectada a la resistencia R, pasando una corriente constante a través de ella. Hay una caída constante en el potencial (caída IR) a lo largo del cable, por lo que se obtiene un potencial variable a través del contacto a lo largo del cable.

    Una emf x desconocida (representada por la escritura E x) conectada en serie con un galvanómetro se muestra en. Tenga en cuenta que emf x se opone a la otra fuente de voltaje. La ubicación del punto de contacto se ajusta hasta que el galvanómetro lee cero. Cuando el galvanómetro lee cero, emf x = IR x, donde R x es la resistencia de la sección del cable hasta el punto de contacto. Dado que no fluye corriente a través del galvanómetro, ninguna fluye a través de la CEM desconocida, y se detecta emf x.

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    Potenciómetro: El potenciómetro es un dispositivo de medición nulo. (a.) Una fuente de voltaje conectada a una resistencia de cable largo pasa una corriente constante I a través de ella. b.) Un EMF desconocido (etiquetado como script Ex) se conecta como se muestra, y el punto de contacto a lo largo de R se ajusta hasta que el galvanómetro lee cero. El segmento de cable tiene una resistencia Rx y script ex=IRX, donde I no se ve afectado por la conexión, ya que no fluye corriente a través del galvanómetro. La CEM desconocida es así proporcional a la resistencia del segmento de alambre.

    EMF estándar se sustituye por emf x, y el punto de contacto se ajusta hasta que el galvanómetro lee cero, de modo que emf s =IR s. En ambos casos, no pasa corriente por el galvanómetro. La corriente I a través del cable largo es idéntica. Tomando la relación emf x/emf s, cancela, y resolviendo para emf x da lo que se ve en.

    Debido a que se usa un cable uniforme largo para R, la relación de resistencias R x /R s es la misma que la relación de las longitudes de cable que ponen a cero el galvanómetro para cada EMF. Las tres cantidades en el lado derecho de la ecuación ahora se conocen o miden, y se puede calcular emf x. A menudo hay menos incertidumbre en este cálculo que cuando se usa un voltímetro directamente, pero no es cero. Siempre hay cierta incertidumbre en la relación de resistencias R x /R s y en los EMF estándar. Además, no es posible saber cuándo el galvanómetro lee exactamente cero, lo que introduce error tanto en R x como en R s, y también puede afectar la corriente I.

    Mediciones de Resistencia

    Muchos de los llamados ohmímetros miden la resistencia. Los ohmímetros más comunes aplican un voltaje a una resistencia, miden la corriente y calculan la resistencia usando la ley de Ohm. Su lectura es esta resistencia calculada. Las configuraciones simples que utilizan voltímetros y amperímetros estándar tienen una precisión limitada, ya que los medidores alteran tanto el voltaje aplicado a la resistencia como la corriente que fluye a través de ella. El puente Wheatstone es un dispositivo de medición nulo para calcular la resistencia mediante el equilibrio de las caídas potenciales en un circuito. El dispositivo se llama puente porque el galvanómetro forma un puente entre dos ramas. Una variedad de dispositivos de puente se utilizan para realizar mediciones nulas en circuitos. Las resistencias R1 y R2 son conocidas con precisión, mientras que la flecha a través de R 3 indica que es una resistencia variable. El valor de R 3 se puede leer con precisión. Con la resistencia desconocida Rx en el circuito, R 3 se ajusta hasta que el galvanómetro lee cero.

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    Puente Wheatstone: El puente Wheatstone se utiliza para calcular resistencias desconocidas. La resistencia variable R3 se ajusta hasta que el galvanómetro lee cero con el interruptor cerrado. Esto simplifica el circuito, permitiendo que Rx se calcule en función de las caídas de IR.

    La diferencia de potencial entre los puntos b y d es entonces cero, lo que significa que b y d están en el mismo potencial. Al no correr corriente por el galvanómetro, no tiene ningún efecto sobre el resto del circuito. Entonces las ramas abc y adc están en paralelo, y cada rama tiene el voltaje completo de la fuente. Como b y d están en el mismo potencial, la caída de IR a lo largo del anuncio debe ser igual a la caída IR a lo largo de ab. Nuevamente, dado que b y d están en el mismo potencial, la caída IR a lo largo de dc debe ser igual a la caída IR a lo largo de bc. Esta ecuación se utiliza para calcular la resistencia desconocida cuando la corriente a través del galvanómetro es cero. Este método puede ser muy preciso, pero está limitado por dos factores. En primer lugar, no es posible que la corriente a través del galvanómetro sea exactamente cero. Segundo, siempre hay incertidumbres en R 1, R 2 y R 3, que contribuyen a la incertidumbre en R x.

    Puntos Clave

    • Un voltímetro es un instrumento utilizado para medir la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos en un circuito eléctrico.
    • Un amperímetro es un dispositivo de medición que se utiliza para medir la corriente eléctrica en un circuito.
    • Un voltímetro se conecta en paralelo con un dispositivo para medir su voltaje, mientras que un amperímetro se conecta en serie con un dispositivo para medir su corriente.
    • En el corazón de la mayoría de los medidores analógicos se encuentra un galvanómetro, un instrumento que mide el flujo de corriente utilizando el movimiento, o deflexión, de una aguja. La deflexión de la aguja es producida por una fuerza magnética que actúa sobre un cable portador de corriente.
    • Las mediciones de voltajes y corriente con voltímetros y amperímetros estándar alteran el circuito que se mide, introduciendo incertidumbres. Los voltímetros extraen corriente adicional, mientras que los amperímetros reducen el flujo de corriente
    • Se emplean mediciones nulas para reducir la incertidumbre en el voltaje y la corriente medidos.
    • El potenciómetro y el puente de Wheatstone son dos métodos para realizar mediciones nulas.
    • El potenciómetro es un instrumento que mide una tensión desconocida al oponerse a una tensión conocida, sin sacar corriente de la fuente de voltaje que se mide.
    • Un puente de Wheatstone es un circuito eléctrico utilizado para medir una resistencia eléctrica desconocida al equilibrar dos patas de un circuito puente, una de las cuales incluye el componente desconocido.

    Términos Clave

    • resistencia en derivación: una pequeña resistencia R colocada en paralelo con un galvanómetro G para producir un amperímetro; cuanto mayor sea la corriente a medir, menor debe ser R; la mayor parte de la corriente que fluye a través del medidor se deriva a través de R para proteger el galvanómetro
    • galvanómetro: Un dispositivo de medición analógico, denotado por G, que mide el flujo de corriente usando una deflexión de aguja causada por una fuerza de campo magnético que actúa sobre un cable portador de corriente.
    • mediciones nulas: métodos de medición de corriente y voltaje con mayor precisión equilibrando el circuito para que no fluya corriente a través del dispositivo de medición
    • potenciómetro: un instrumento que mide una tensión al oponerla con una fracción precisa de una tensión conocida, y sin sacar corriente de la fuente desconocida.
    • Puente Wheatstone: Instrumento utilizado para medir una resistencia eléctrica desconocida al equilibrar dos patas de un circuito de puente, una de las cuales incluye el componente desconocido.

    LICENCIAS Y ATRIBUCIONES

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    CC CONTENIDO LICENCIADO, ATRIBUCIÓN ESPECÍFICA

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