TRABAJO PRACTICO

TEMA TEORICO:

INSTRUMENTAL

Preguntas:

1) Medidores eléctricos, instrumentos que 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. La información se da normalmente en una unidad eléctrica estándar: ohmios, voltios, amperios, culombios, henrios, faradios, vatios o julios. 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.

2) Volta, Alessandro, conde (1745-1827), físico italiano, conocido por sus trabajos sobre la electricidad. Nació en Como y estudió allí, en la escuela pública. En 1774 fue profesor de física en la Escuela Regia de Como y al año siguiente inventó el electróforo, un instrumento que producía cargas eléctricas. Durante 1776 y 1777 se dedicó a la química, estudió la electricidad atmosférica e ideó experimentos como la ignición de gases mediante una chispa eléctrica en un recipiente cerrado. En 1779 fue profesor de física en la Universidad de Pavía, cátedra que ocupó durante 25 años. Hacia 1800 había desarrollado la llamada pila de Volta, precursora de la batería eléctrica, que producía un flujo estable de electricidad. Por su trabajo en el campo de la electricidad, Napoleón le nombró conde en 1801. La unidad eléctrica conocida como voltio recibió ese nombre en su honor.

3) Wheatstone, Sir Charles (1802-1875), físico e inventor británico, conocido especialmente por su trabajo en electricidad. Nacido en Gloucester, trabajó de aprendiz en 1816 con su tío, un constructor de instrumentos musicales de Londres. En 1823 heredó el negocio y en 1829 inventó la concertina. Autodidacta en el campo de la ciencia, se convirtió en profesor de filosofía experimental de la Universidad de Londres en 1834, y en 1837, junto con el ingeniero William Fothergill Cooke, patentó el primer telégrafo eléctrico británico. El instrumento eléctrico conocido como puente de Wheatstone, aunque fue inventado por Samuel Hunter Christie, lleva su nombre porque fue Wheatstone el primero en aplicarlo para la medición de resistencias de los circuitos eléctricos. Otros inventos de Wheatstone son (1838) el estereoscopio, un telégrafo gráfico y un péndulo electromagnético. En 1868 fue nombrado sir.

4) Weber, Wilhelm Eduard (1804-1891), físico alemán especializado en electrodinámica. Nació en Wittenberg en el seno de una familia numerosa. Su padre era profesor de Teología en la universidad. La familia tenía relaciones con el famoso experto en acústica E. F. F. Chladni. Weber escribió en 1824 un tratado sobre el movimiento ondulatorio junto con su hermano mayor, Ernst Heinrich Weber, un anatomista sobresaliente. En 1828 se trasladó a la Universidad de Halle, donde fue profesor de física, y en 1831 a la universidad de Gotinga, de la que tuvo que marcharse en 1837 debido a problemas políticos. Después de un retiro temporal fue elegido para la cátedra de física en Leipzig en 1843, pero volvió a la universidad de Gotinga a su antiguo cargo en 1849, y allí también se convirtió en el director del observatorio astronómico. En Gotinga colaboró con Carl Friedrich Gauss en el estudio del geomagnetismo; durante ese tiempo conectó con dos laboratorios mediante el telégrafo eléctrico (uno de los primeros usos de la comunicación telegráfica que ha quedado registrado). En Leipzig desarrolló varios instrumentos para medir la corriente eléctrica, en especial el electrodinamómetro para mediciones absolutas. Su trabajo más importante lo hizo en Leipzig, en donde determinó, junto con F. W. G. Kohlrausch, la relación entre las unidades de carga electrostáticas y electromagnéticas (constante de Weber). Esta relación resultó ser igual a la velocidad de la luz, y fue utilizada más tarde por James Clerk Maxwell para defender su teoría electromagnética. La unidad SI del flujo magnético se denominó weber.

5) Velocímetro, dispositivo para medir la velocidad de un vehículo. La medición suele efectuarse determinando el número de revoluciones a lo largo de un intervalo de tiempo conocido, o mediante un instrumento que determina directamente el número de revoluciones por minuto o por segundo. Un ejemplo del segundo caso es el velocímetro de un automóvil, en el que un cable flexible unido al árbol de la transmisión hace girar un imán permanente. Esto induce un campo magnético que tiende a arrastrar un tambor que rodea al imán. El tambor está restringido por un resorte conectado a una aguja. Cuanto mayor es la velocidad del vehículo, más fuerza se ejerce sobre el tambor y más alta es la desviación de la aguja.

En los automóviles modernos el velocímetro ya no está conectado mecánicamente a la transmisión. Un dispositivo situado en la transmisión produce una serie de pulsos eléctricos cuya frecuencia varía de acuerdo con la velocidad del vehículo; estos pulsos eléctricos se transmiten a un dispositivo calibrado que determina la velocidad y envía dicho dato al salpicadero, donde puede leerse a partir de la desviación de una aguja o directamente en una pantalla digital.

Los velocímetros de los aviones, que indican la velocidad aerodinámica, es decir, con respecto al aire, se basan en la medida de la presión cinética. El llamado tubo de Pitot, inventado por el físico e ingeniero francés Henri Pitot, es un tubo lleno de mercurio y provisto de dos aberturas, una orientada en la dirección del flujo de aire y la otra perpendicular a éste. Cuando el avión está detenido, la presión en ambas aberturas es la misma. Cuando el avión se mueve, el aumento de la presión en la rama cuya abertura está orientada en la dirección del flujo de aire empuja el mercurio hacia la otra rama; la altura del mercurio en dicha rama indica la velocidad aerodinámica. La velocidad de un vehículo acuático se mide a menudo mediante un instrumento remolcado que consiste en una pequeña hélice, cuya velocidad de giro depende de la velocidad lineal del buque. La hélice está conectada con un instrumento calibrado situado en el barco.

El término tacómetro suele aplicarse a los instrumentos empleados para medir la velocidad angular de un mecanismo en revoluciones por minuto. Muchos automóviles tienen tacómetros que miden el número de revoluciones del cigüeñal del motor.

6) Barómetro, instrumento para medir la presión atmosférica, es decir, la fuerza por unidad de superficie ejercida por el peso de la atmósfera. Como en cualquier fluido esta fuerza se transmite por igual en todas las direcciones. La forma más fácil de medir la presión atmosférica es observar la altura de una columna de líquido cuyo peso compense exactamente el peso de la atmósfera. Un barómetro de agua sería demasiado alto para resultar cómodo. El mercurio, sin embargo, es 13,6 veces más denso que el agua, y la columna de mercurio sostenida por la presión atmosférica normal tiene una altura de sólo 760 milímetros.

Un barómetro de mercurio ordinario está formado por un tubo de vidrio de unos 850 mm de altura, cerrado por el extremo superior y abierto por el inferior. Cuando el tubo se llena de mercurio y se coloca el extremo abierto en un recipiente lleno del mismo líquido, el nivel del tubo cae hasta una altura de unos 760 mm por encima del nivel del recipiente y deja un vacío casi perfecto en la parte superior del tubo. Las variaciones de la presión atmosférica hacen que el líquido del tubo suba o baje ligeramente; al nivel del mar no suele caer por debajo de los 737 mm ni subir más de 775 mm. Cuando el nivel de mercurio se lee con una escala graduada denominada nonius y se efectúan las correcciones oportunas según la altitud y la latitud (debido al cambio de la gravedad efectiva), la temperatura (debido a la dilatación o contracción del mercurio) y el diámetro del tubo (por los efectos de capilaridad), la lectura de un barómetro de mercurio puede tener una precisión de hasta 0,1 milímetros.

Un barómetro más cómodo (y casi tan preciso) es el llamado barómetro aneroide, en el que la presión atmosférica deforma la pared elástica de un cilindro en el que se ha hecho un vacío parcial, lo que a su vez mueve una aguja. A menudo se emplean como altímetros (instrumentos para medir la altitud) barómetros aneroides de características adecuadas, ya que la presión disminuye rápidamente al aumentar la altitud.

Para predecir el tiempo es imprescindible averiguar el tamaño, forma y movimiento de las masas de aire continentales; esto puede lograrse realizando observaciones barométricas simultáneas en una serie de puntos distintos. El barómetro es la base de todos los pronósticos meteorológicos.

7) Termómetro, instrumento empleado para medir la temperatura. El termómetro más utilizado es el de mercurio, formado por un capilar de vidrio de diámetro uniforme comunicado por un extremo con una ampolla llena de mercurio. El conjunto está sellado para mantener un vacío parcial en el capilar. Cuando la temperatura aumenta el mercurio se dilata y asciende por el capilar. La temperatura puede leerse en una escala situada junto al capilar. El termómetro de mercurio es muy usado para medir temperaturas ordinarias; también se emplean otros líquidos como alcohol o éter.

8) Dinamómetro, cualquiera de los diferentes instrumentos de laboratorio empleados para medir la fuerza. Una forma común de dinamómetro es una balanza de resorte calibrada en newtons, la unidad de fuerza del Sistema Internacional de unidades (SI). La palabra `dinamómetro' también se emplea para designar instrumentos que miden la potencia (trabajo realizado por unidad de tiempo) de un motor, por ejemplo en la industria automovilística.

9) 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.

10) 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.

11) 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.

12) 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.

13) Electroscopio, dispositivo que sirve para detectar y medir la carga eléctrica de un objeto. Los electroscopios han caído en desuso debido al desarrollo de instrumentos electrónicos mucho más precisos, pero todavía se utilizan para hacer demostraciones.

El electroscopio más sencillo está compuesto por dos conductores ligeros suspendidos en un contenedor de vidrio u otro material aislante. Los dos conductores están conectados a un tercer conductor que se halla fuera del recipiente. Cuando se acerca un cuerpo cargado al conductor exterior, los conductores del interior se cargan y se repelen. Midiendo la distancia a la que se separan estos conductores se puede calcular la cantidad de carga del cuerpo.

14) Balanza de torsión, dispositivo que mide fuerzas eléctricas, magnéticas o gravitatorias muy pequeñas a partir del ángulo que gira un brazo antes de que la resistencia ejercida por la fuerza de torsión detenga su movimiento. Fue diseñada originalmente por el geólogo británico John Michell, y mejorada por el químico y físico de la misma nacionalidad Henry Cavendish. El instrumento fue inventado de forma independiente por el físico francés Charles Augustin de Coulomb, que lo empleó para medir la atracción eléctrica y magnética.

Una balanza de torsión está formada por dos esferas pequeñas, que suelen tener una masa del orden de 1 g y van unidas a los extremos de una varilla horizontal suspendida por su centro de un alambre fino o, en los experimentos más recientes, de una fibra de cuarzo. Si, por ejemplo, se colocan dos esferas grandes de plomo junto a las esferas de la balanza, pero en lados opuestos, las esferas de la balanza se verán atraídas por las esferas grandes y el alambre o la fibra experimentará una torsión. El grado de torsión se mide a través del movimiento de un rayo de luz reflejado por la varilla sobre una escala. Esto permite hallar la fuerza gravitatoria entre las dos masas. En los experimentos eléctricos, las masas se sustituyen por conductores cargados, mientras que para estudiar los efectos magnéticos se emplean dos imanes.

15) 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.

16) 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.

17) 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.

18) Bolómetro, instrumento utilizado para medir pequeñas cantidades de energía radiante en el rango del espectro comprendido entre las ondas luminosas y las microondas. Lo inventó en 1860 el ingeniero y científico estadounidense Samuel Pierpont Langley, y en la actualidad se utiliza principalmente, para detectar la energía que irradian fuentes lejanas en forma de calor. En astronomía, por ejemplo, se utiliza para medir la energía de las estrellas. Un bolómetro es básicamente un puente de Wheatstone (véase Medidores eléctricos) con dos placas de platino. Cuando una de las placas recibe radiación experimenta un aumento de conductividad. La comparación de las placas determina la cantidad de radiación recibida. En realidad, los bolómetros que se utilizan actualmente son más sofisticados.

19) Radiómetro, instrumento para detectar y medir la intensidad de energía térmica radiante, en especial de rayos infrarrojos. Un radiómetro es un tubo de vidrio o cuarzo en el que se ha hecho un vacío parcial; dentro del tubo se encuentra un eje con cuatro paletas ligerísimas. Una cara de las aletas está ennegrecida, mientras que la otra es de metal pulimentado. Al recibir radiación externa el lado negro de una paleta absorbe más radiación que el lado pulimentado de la paleta opuesta, lo que hace que la primera paleta se aleje de la fuente de radiación. Dicho efecto produce una rotación constante de las paletas, con una velocidad que depende de la intensidad de la energía radiante. Estos radiómetros mecánicos, que antes se empleaban en instrumentos meteorológicos para efectuar medidas en las capas altas de la atmósfera, han sido sustituidos casi por completo por dispositivos electrónicos de estado sólido que miden la energía radiante de forma más directa y precisa.

Los radiómetros acústicos se emplean para determinar la intensidad del sonido midiendo la presión generada por la reflexión o absorción de ondas sonoras.

20) Geiger, Contador, instrumento que detecta el paso de partículas subatómicas eléctricamente cargadas a través de un tubo en el que se ha establecido un campo eléctrico intenso.

21) 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.

22) 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.