¿Conversión de un galvanómetro a un amperímetro y voltímetro?

Un galvanómetro de "bobina móvil" muestra una deflexión proporcional a la corriente que fluye a través de su bobina debido a voltajes muy pequeños colocados a través de sus terminales.

La desviación a escala completa de un galvanómetro generalmente requiere entre decenas y cientos de microamperios, lo que corresponde a un voltaje de decenas de milivoltios a través de los terminales. La resistencia de la bobina de un galvanómetro suele ser de unos pocos ohmios a unos cientos de ohmios. Típica escala completa

Por el bien de esta explicación, asumamos un galvanómetro muy sensible con una resistencia de bobina de 100 ohmios y una corriente de 100 microAmperes para la desviación a gran escala. Por lo tanto, según la Ley de Ohms, la desviación a gran escala requerirá 10 mV a través de los terminales.

Para crear un amperímetro con una clasificación de corriente máxima de 1 amperio, esta corriente debe generar 10 mV a través de una "resistencia de carga" o "resistencia de derivación". Al permitir que 1 amperio fluya a través de una resistencia de 10 miliOhm, se generan 10 mV a través de esta resistencia. Eso es perfecto para nuestros propósitos, por lo que conectamos el galvanómetro a través de (en paralelo con) esta resistencia de 10 miliOhm:

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Como la resistencia del galvanómetro (100 Ohmios) es mucho mayor que la resistencia de la derivación (10 mOhm), podemos ignorar el efecto de paralelizar la bobina del galvanómetro a nuestra derivación. Por lo tanto, en efecto, el amperímetro que hemos creado tiene 10 miliOhms de resistencia, que es bastante insignificante, y lee hasta 1 Amperio de corriente.

Ahora para un voltímetro. Si necesitáramos una lectura a gran escala de, digamos, 20 voltios, tendríamos que asegurarnos de que 20 voltios causen que 100 microamperios (supuestos indicados anteriormente) fluyan a través del galvanómetro.

La ley de ohmios nos dice que una resistencia de 200 KOhms pasaría a 100 microAmperios a través de ella, si se expone a 20 voltios. Si tuviéramos que poner nuestro galvanómetro en serie con esta ruta de corriente, tendríamos un excelente voltímetro de 20 voltios. En este caso, nuevamente, la resistencia de la bobina de 100 Ohmios es despreciable en comparación con la resistencia de 200 KOhm, por lo que podemos ignorarla.

^{simular este circuito}

Tenga en cuenta que también en este caso, el galvanómetro se ilustra como un medidor de corriente, porque eso es lo que queda. La combinación del galvo y la resistencia de 200 K en serie, nos proporciona un voltímetro que cumple con nuestros requisitos.

Los ejemplos anteriores son casos extremos: la medición de una corriente máxima pequeña de 1 miliAmperes en lugar de 1 A requeriría que la corriente pase a través de una resistencia de 10 Ohms (para generar los 10 mV necesarios para la bobina del galvanómetro). Dado que este es un valor significativo comparable a la resistencia de la bobina de galvo, el cálculo del valor de la resistencia de la derivación real debería tener en cuenta el paralelo de 100 ohmios (bobina).

De manera similar, para medir voltajes pequeños usando nuestro galvo como voltímetro, el cálculo de la resistencia en serie necesitaría restar el valor de resistencia de la bobina.

Estoy seguro de que su libro de texto explica estos cálculos con mayor detalle.

Piensa en cómo se usan. Un voltímetro se pone en paralelo en dos puntos bajo prueba. En el caso ideal, no fluye corriente a través del medidor. Se pone un amperímetro en serie. con la corriente bajo prueba fluyendo a través de ella. En el caso ideal, el amperímetro tiene resistencia de 0, de lo contrario afecta la medición. Si hace que el voltímetro sea de baja impedancia y el amperímetro sea de alta impedancia, dará malos resultados.     

Un galvanómetro actúa como un amperímetro ideal en serie con una resistencia moderadamente pequeña. Una lectura a gran escala requerirá una cantidad relativamente pequeña de corriente; cuando tanta corriente fluye a través del medidor, caerá una cierta cantidad de voltaje. Si un medidor en particular leyó a escala completa con 100uA y cayó 0.01 voltios con tanta corriente, uno podría usarlo directamente como un amperímetro para leer corrientes de hasta 100uA, o como un voltímetro para voltajes de hasta 0.01 voltios, pero muchos las aplicaciones mundiales requieren leer corrientes o voltajes más altos.

Para leer una corriente más alta, es necesario agregar una resistencia que pueda desviar la mayor parte de la corriente que se mide alrededor del medidor, de modo que cuando la cantidad de corriente a escala completa deseada fluye a través de la combinación de resistencia y medidor, la cantidad que fluye a través del medidor (en lugar de la resistencia) será de 100 uA. Para escalar las cosas por un factor de N, la resistencia paralela debe ser la resistencia del medidor dividida por (N-1).

Para leer un voltaje más alto, es necesario agregar una resistencia que pueda disminuir el voltaje además de la caída del medidor, de modo que cuando se aplique el voltaje de escala completo deseado, la cantidad de voltaje caído en el medidor será 0.01 voltios. Para escalar las cosas por un factor de N, la resistencia en serie debe ser la resistencia del medidor multiplicada por N-1.

Por cierto, si uno tiene una fuente de voltaje de precisión, un potenciómetro y algunas resistencias de precisión, existe un enfoque aún más preciso para realizar mediciones usando un galvanómetro con solo una marca en su escala: use la fuente de voltaje y el potenciómetro para generar una referencia de voltaje ajustable, y use el galvanómetro para mostrar la diferencia entre esa referencia y el voltaje a medir. Ajuste el potenciómetro hasta que el galvanómetro indique cero; la relación de resistencia del potenciómetro indicará la relación de la tensión que se mide a la fuente de tensión de precisión; Un buen potenciómetro permitirá medir esa relación a tres cifras significativas, una precisión mucho mayor que la que se obtendría al leer una aguja del medidor.

Es muy fácil destruir un galvanómetro y arruiné más que unos pocos en mis días de laboratorio. El movimiento básico del galvanómetro requiere muy poca corriente para desviar la aguja a escala completa. Si conecta su galvanómetro a los terminales de una fuente de alimentación como una batería de laboratorio, derretirá los devanados o iniciará un incendio o verá un pequeño destello de luz u olerá algo que está demasiado caliente. Creo que he hecho todo eso.

Pero usted quiere medir una corriente más grande. ¿Qué hacer? ¿Qué pasaría si pudiera hacer que la mayor parte del flujo de corriente alrededor del galvanómetro? Usted puede, como lo explica @Anindo, darle a la corriente un camino con una resistencia mucho menor que la bobina galvo. La mayor parte de la corriente fluirá a través del camino de baja resistencia. La ruta de baja resistencia se denomina "derivación" y puede encontrarlas en eBay para grandes corrientes o en laboratorios de física que no hayan sido eliminados de todas las cosas "antiguas". (Los de eBay deben utilizarse con un voltímetro de alta impedancia o ADC en un microprocesador, pero puede calcular cómo funcionarán con un galvanómetro). Parece extraño, pero en esencia puedes usar el galvo para medir la caída de voltaje en la derivación.

Si desea medir un alto voltaje, necesita una manera de limitar el voltaje a través del galvo y, por lo tanto, la corriente. La alta resistencia de la serie causará que la mayor parte del voltaje caiga a través de la resistencia y mantenga el galvo en un rango seguro.

Busque "galvanómetro balístico" para ver un dispositivo interesante.

Como el amperímetro mide la corriente, por su precisión, la resistencia debe ser baja, por lo que conectamos una pequeña resistencia en paralelo con el galvanómetro para reducir su resistencia igual que para el voltímetro, ya que mide la caída de voltaje cuyo valor aumenta a medida que aumenta la resistencia, así que conectamos la resistencia en serie con galvanómetro