Galvanómetro de bobina móvil

Hans Christian Oersted descubrió en 1820 que un cable conductor que transporta corriente produce un campo magnético a su alrededor. Los hallazgos de sus experimentos son los siguientes: 

1. La aguja de la brújula magnética está alineada tangente a un círculo imaginario centrado en el cable que transporta corriente.
2. Cuando se invierte la corriente, también se invierte la orientación de la aguja.
3. La fuerza de la corriente que fluye a través del cable determina la desviación de la aguja.

Los campos magnéticos median una clase de propiedades físicas conocidas como magnetismo . Un campo magnético es creado por las corrientes eléctricas y los momentos magnéticos de las partículas elementales, que operan sobre otras corrientes y momentos magnéticos. El electromagnetismo es un fenómeno multifacético que incluye el magnetismo. Los efectos más conocidos se producen en los materiales ferromagnéticos, que son muy atraídos por los campos magnéticos y pueden magnetizarse para convertirse en imanes permanentes que generan campos magnéticos. 

¿Qué es Torque?

La fuerza que puede hacer que un objeto gire a lo largo de un eje se mide como torque. En cinemática lineal, la fuerza es lo que hace que un objeto se acelere. El par también es responsable de la aceleración angular. Como resultado, el par se puede definir como el equivalente rotacional de la fuerza lineal. El eje de rotación es el punto en el que gira el elemento. El par es la propiedad de una fuerza para girar o torcer. 

El par puede ser estático o dinámico . Un par que no provoca una aceleración angular se conoce como par estático.

p.ej:

• Cuando una persona empuja una puerta cerrada, la puerta permanece estática porque no gira a pesar de la fuerza aplicada.
• Debido a que no hay aceleración, pedalear una bicicleta a una velocidad constante también es un ejemplo de par estático.

Torque producido en un bucle de corriente rectangular en un campo magnético uniforme

Cuando una espira rectangular con N espiras de área A lleva cada una una corriente continua I y se coloca en un campo magnético uniforme B de modo que la espira normal al plano forma un ángulo con la dirección del campo magnético, la espira experimenta un momento de torsión cuya magnitud es dada por:

τ= NIAB sen θ

El momento dipolar magnético del bucle de corriente se define como,

|m| = ANI

El momento dipolar magnético de un bucle portador de corriente se puede calcular como el producto de la corriente y el área total del bucle, es decir 

M = yo. (N / A)

Debido a la corriente en la espira, el momento dipolar magnético es una cantidad vectorial con una dirección paralela a la dirección del campo magnético.

Galvanómetro de bobina móvil

Un galvanómetro de bobina móvil es un instrumento para medir corrientes eléctricas. Es un dispositivo electromagnético sensible que puede detectar corrientes extremadamente bajas, de unos pocos microamperios.

Hay dos tipos principales de galvanómetros de bobina móvil:

• Un galvanómetro con bobinas suspendidas
• Un galvanómetro con una bobina pivotante o un galvanómetro Weston

Principio

El par magnético se experimenta cuando una bobina portadora de corriente se coloca en un campo magnético externo. El ángulo a través del cual se desvía la bobina debido al efecto del par magnético es proporcional a la magnitud de la corriente de la bobina.

Construcción 

El galvanómetro de bobina móvil consta de una bobina rectangular con varias vueltas que se enrollan en un marco metálico y generalmente se construye con alambre de cobre fino o con un aislamiento delgado. La bobina gira libremente alrededor de un eje fijo. La bobina está suspendida en un campo magnético radial uniforme utilizando una tira de fósforo-bronce acoplada a una cabeza de torsión móvil.

La conductividad y una constante de torsión baja son dos cualidades importantes del material utilizado para suspender la bobina. Para aumentar la fuerza del campo magnético y hacerlo radial, se coloca simétricamente un núcleo cilíndrico de hierro dulce dentro de la bobina. La mitad inferior de la bobina está conectada a un resorte de bronce fosforoso con un número modesto de vueltas. El otro extremo del resorte está unido a tornillos de unión.

El resorte se emplea para generar un contrapar que sirve para equilibrar el par magnético y producir una desviación angular constante. La deflexión de la bobina se mide utilizando un espejo plano unido al cable de suspensión, así como un arreglo de lámpara y escala. Los puntos cero de la escala están en el medio.

Laboral

Permítanme pasar a través de una bobina rectangular con n vueltas y un área de A en la sección transversal. Cuando la bobina se coloca en un campo magnético radial uniforme B, experimenta un par. Considere una bobina rectangular con una longitud de l y un ancho de b con una sola vuelta ABCD. La bobina está suspendida en un campo magnético de fuerza B, con el plano de la bobina paralelo al campo. Los lados AB y DC no están sujetos a la fuerza efectiva de ningún campo magnético porque son paralelos a la dirección del campo. 

Los lados AD y BC perpendiculares a la dirección del campo están sujetos a una fuerza efectiva F, que viene dada por,

F = BI

Podemos deducir que las fuerzas que actúan sobre AD y BC están en direcciones opuestas utilizando la regla de la mano izquierda de Fleming. Cuando fuerzas iguales y opuestas F, conocidas como el par, actúan sobre la bobina, se produce un par. La bobina se desvía como resultado del par.

Lo sabemos, 

Torque (τ) = fuerza x distancia perpendicular entre las fuerzas

o 

τ = F × segundo

Usando el valor de F que ya conocemos como sustituto,

Par de torsión τ que actúa sobre el bucle simple ABCD de la bobina = BI × b

donde l × b es el área A de la bobina,

Por lo tanto, el par que actúa sobre n vueltas de la bobina está dado por,

τ = n BIA

La bobina gira como resultado del par magnético y la tira de bronce fosforoso se retuerce. El resorte S vinculado a la bobina, a su vez, proporciona un contrapar o par de restauración k, lo que da como resultado una desviación angular constante.

En condiciones de equilibrio:

kθ = BIAn

La constante de torsión del resorte se denota con la letra k (par restaurador por unidad de torsión). La deflexión o torsión se mide con un indicador adherido al cable de suspensión que indica un valor en una escala.

θ = (nAB / k) yo

Por lo tanto, 

θ ∝ yo

Para un galvanómetro dado, la cantidad nAB/k es una constante. Como resultado, está claro que la desviación del galvanómetro es proporcional a la corriente que fluye a través de él.

Sensibilidad del galvanómetro de bobina móvil

La relación entre el cambio en la desviación del galvanómetro y el cambio en la corriente en la bobina es la definición amplia de sensibilidad experimentada por un galvanómetro de bobina móvil.

S = dθ/ dI

Si un galvanómetro muestra una desviación mayor para una cantidad modesta de corriente, tiene una sensibilidad más alta. La sensibilidad de corriente y la sensibilidad de voltaje son los dos tipos de sensibilidad.

• Sensibilidad de corriente: La desviación (θ) por unidad de corriente (I) se conoce como sensibilidad de corriente θ/I

θ/I = nAB/k

• Sensibilidad al voltaje: La sensibilidad al voltaje θ/V es la cantidad de desviación (θ) por unidad de voltaje (V)

θ/V= (nAB/Vk) I

La resistencia efectiva en el circuito se indica con la letra R. Vale la pena recordar que la sensibilidad a la tensión es igual a la sensibilidad a la corriente/resistencia de la bobina. Como resultado, suponiendo que R permanece constante, sensibilidad de voltaje ∝ sensibilidad de corriente.

La cifra de Mérito de un Galvanómetro: Es la proporción de la corriente de desviación a escala completa del instrumento al número de graduaciones en la escala. También es el recíproco de la sensibilidad actual de un galvanómetro.

Factores que afectan la sensibilidad de un galvanómetro:

1. El número de vueltas en la bobina N y el área de la bobina A.
2. La fuerza del campo magnético B.
3. k/nAB es la magnitud del par por unidad de torsión.

Aplicaciones del Galvanómetro

Debido a que el galvanómetro de bobina móvil es un instrumento tan sensible, puede usarse para detectar la presencia de corriente en cualquier circuito. Cuando se utiliza un galvanómetro en un circuito de puente de Wheatstone, la aguja del galvanómetro no muestra desviación, lo que indica que no fluye corriente a través del dispositivo. Dependiendo de la dirección de la corriente, el puntero se desvía hacia la izquierda o hacia la derecha.

Conectándolo en paralelo a baja resistencia, el galvanómetro se puede utilizar para medir: 

• El valor de la corriente en el circuito.
• El voltaje se puede aumentar conectándolo en serie con una resistencia de alta resistencia.

Conversión de galvanómetro a amperímetro

Al conectar un galvanómetro en paralelo con una resistencia baja conocida como resistencia de derivación, un galvanómetro se puede transformar en un amperímetro. Según el rango del amperímetro, se selecciona una resistencia de derivación adecuada.

Consideremos ahora R _g como la resistencia del galvanómetro, G como la bobina del galvanómetro, I representa la corriente total que pasa por el circuito, I _g representa la corriente total que pasa por el galvanómetro que corresponde a la lectura de escala completa, y R _s muestra la valor de la resistencia de derivación.

La corriente a través de la resistencia de derivación, cuando la corriente Ig pasa a través del galvanómetro viene dada por, 

yo _s = yo – yo _gramo 

Debido a la naturaleza paralela de su conexión, los voltajes a través del galvanómetro y la resistencia de derivación son iguales.

Por lo tanto, 

R _gramo × yo _gramo = (yo – yo _gramo ) × R _s 

Conversión de galvanómetro a voltímetro

Al poner en serie un galvanómetro con gran resistencia, se puede transformar en un voltímetro. Dependiendo del rango del voltímetro, se selecciona una alta resistencia adecuada.

Consideremos ahora R _g como la resistencia del galvanómetro, G como la bobina del galvanómetro, I representa la corriente total que pasa por el circuito, I _g representa la corriente total que pasa por el galvanómetro que corresponde a la lectura a escala completa y V muestra el voltaje caída a través de la conexión en serie de galvanómetro y alta resistencia.

La caída de voltaje a través de la rama ab está dada por cuando la corriente I _g viaja a través de la combinación en serie del galvanómetro y la alta resistencia R.

V = R _gramo × yo _gramo + R × yo _gramo

Las ventajas de un galvanómetro de bobina móvil son:

• Proporciona alta sensibilidad.
• Los campos magnéticos dispersos tienen poco efecto sobre él.
• Tiene una alta relación par-peso.
• Alta precisión y confiabilidad.

Las desventajas de un galvanómetro de bobina móvil son:

• Solo se pueden medir corrientes continuas usándolo.
• Los errores se desarrollan como resultado de causas como el envejecimiento del instrumento, los imanes permanentes y el daño por tensión mecánica en el resorte.

Problemas de muestra

Problema 1: para una corriente de 4 mA, una bobina de galvanómetro con una resistencia de 40 muestra una desviación de rango completo. ¿Cómo se puede transformar este galvanómetro en un voltímetro de 0-12 V?

Solución:

Como sabemos que V = IG (RG + R)

R = V/ IG – RG

= (12/ (4×10 ^-3 )) – 40

R = 2960 Ω

Problema 2: ¿Cuál es el propósito de colocar un núcleo cilíndrico de hierro dulce dentro del galvanómetro de bobina móvil?

Solución:

El interior del galvanómetro tiene un núcleo cilíndrico de hierro dulce que aumenta la intensidad del campo magnético y mejora así la sensibilidad del instrumento. También hace que el campo magnético sea radial, asegurando que el ángulo entre el plano de la bobina y las líneas de fuerza magnéticas sea siempre cero durante la rotación.

Problema 3: Con una resistencia de 0.1 Ω, se utiliza como amperímetro un galvanómetro de bobina móvil de resistencia de 100 Ω. La corriente de desviación máxima del galvanómetro es de 100 μA. Encuentre la corriente en el circuito que hace que el amperímetro se desvíe más.

Solución:

Se da que, Rg =100Ω , Rs= 0.1Ω, Ig =100μA

Sabemos que, Rg x Ig= (I- Ig) x Rs

Por lo tanto I = (Rg x Ig+ Ig x Rs)/ Rs

I= (1+Rg/Rs) x Ig

Sustituyendo los valores dados, obtenemos I= 100.1mA

Problema 4: ¿Cuál es el principio del galvanómetro de bobina móvil?

Solución:

El par magnético se experimenta cuando una bobina portadora de corriente se coloca en un campo magnético externo. El ángulo a través del cual se desvía la bobina debido al efecto del par magnético es proporcional a la magnitud de la corriente de la bobina.

Problema 5: Escriba las ventajas del galvanómetro de bobina móvil

Solución:

• La sensibilidad es alta.
• Los campos magnéticos dispersos tienen poco efecto sobre él.
• Tiene una alta relación par-peso.
• Alta precisión y confiabilidad.