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 sabido,
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.
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 resistencia 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.
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.
Ejemplo:
Primer dígito: Amarillo = 4
Segundo dígito: Violeta = 7
Multiplicador: Rojo = 2 ceros
Tolerancia: Dorado = 5 %
Valor de la resistencia: 4700 W con un 5 % de tolerancia.
Autor:
B J