Ensayo circuitos

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Ensayo sobre multimetro,
voltimetro, amperimetro,
ohmetro e historia de las
baterías.
Cristian F. Tellez Q.
Universidad distrital Francisco José de Caldas
Bogotá, Colombia
cftellezq@correo.udistrital.edu.co
Resumen - En este documento se profundizará acerca de
algunos instrumentos y se dará un vistazo breve acerca de la
historia de las baterías hasta llegar a las actualmente usadas
baterías de ion de litio mostrando quien y como creo cada
innovación de estos tipos de fuentes de energía.
Índice de Términos - Voltimetro, multimetro, batería, ohmetro,
amperímetro, carga, voltaje, corriente.
I. INTRODUCCIÓN
El presente documento tiene como objetivo contextualizar,
y aprender un poco más sobre los instrumentos que nos serán
de gran utilidad durante el transcurso de esta carrera puesto
que generalmente el estudiante promedio los maneja pero por
decirlo de alguna manera, de una forma más empírica y
mecánica, es decir no conocen sus diferentes tipos, el porqué
se usa de un modo determinado y cómo funciona sino más
bien lo usan porque saben que les puede ser útil en la tarea a
realizar.
Por lo tanto el objetivo real del escrito presente a
continuación, aunque lo va a hacer de una manera un poco
general para no sobresaturar de información a quien pueda
llegar, es intentar que lleguemos a saber así sea solo un poco
más sobre estas herramientas, además de simple y llanamente
su uso práctico.
Adicionalmente a todo lo nombrado anteriormente también
veremos de una forma bastante resumida el cambio a través de
la historia de algunas fuentes de voltaje, centrándonos sobre
todo en los diferentes tipos de baterías y como han avanzado y
cambiado a lo largo del tiempo.
1.
II. Voltímetro
Un voltímetro es una herramienta usada para medir el voltaje
(diferencia de potencial) entre un punto y otro en un determinado
circuito.
voltimetro analogico. Foto tomada de
https://peaktech-rce.com/es/herramientas-de-ensenanza/479-peaktech-3202-v
oltimetro-analogico-ccca-cc-20kv-01-500v.html [2]
Un voltímetro tiene tres partes fundamentales que debemos
conocer antes de proceder a su manipulación las cuales
nombraremos a continuación:
● Terminal de entrada positivo (Casi siempre es el de
color rojo).
● Terminal de entrada negativo (Por lo general este
tiene un color negro).
● “Display”, donde puedes encontrar los resultados de
la medición: Si es analógico tendrás que leer los
resultados de una escala. Si es digital, los resultados
se mostrarán como una lectura en una pantalla LCD o
LED[1].
A. ¿Cómo funciona un voltimetro?
El voltímetro consta de una resistencia muy alta,
conformada por un hilo fino de muchas espiras que forma una
bobina. Esto hace que al conectar el voltímetro en paralelo al
circuito, por el voltímetro circule la menor cantidad de
corriente posible y no afecte el comportamiento del circuito y
al tener muchas espiras la bobina se genera la fuerza necesaria
para mover una aguja[3].
Circuito de un voltímetro de varias escalas. Imagen tomada de
“AMPERÍMETRO, VOLTÍMETRO, OHMETRO y
MULTÍMETRO” page 8.[4]
B. Tipos de voltímetro
1) Voltimetro digital: El voltímetro digital es la
evolución del voltimetro analogico, dependiendo de
la actualidad y tecnología de punta que esté
utilizando tiene más precisión en las mediciones en
comparación con los voltímetros analógicos, dar
resultados más precisos y correctos.
Imagen tomada de:
https://fututel.com/es/tienda-online-mejores-precios-y-productos-d
e-marca/3102-tipos-y-cómo-funciona-un-voltimetro
2) Voltimetro analogico: Normalmente son los más
utilizados por los expertos y técnicos en instalaciones
eléctricas porque, consideran la utilización
sobresaliente en la medición de las diferentes
tensiones que contienen corriente eléctrica.
imagen tomada de:
https://fututel.com/es/tienda-online-mejores-precios-y-productos-d
e-marca/3102-tipos-y-como-funciona-un-voltimetro
3) Voltimetro electrodinámico: Esta herramienta dispone
de dos bobinas fijas y móviles, que se deben conectar
en serie, la interacción de ambas bobinas se efectúa y
crea un par el cual actúa sobre el indicador, es de tipo
analogico.
4) Voltimetro magnetoeléctrico:Este tipo de voltímetro
llanamente depende de la interacción de campos
magnéticos, el cual, se produce dichas corrientes que
se mueven a través de la bobina y ésta Se enrolla en
la salida o parte móvil del medidor en el campo
magnético que se encuentra en la bobina.
5) Voltimetro electromagnético: Este tipo de voltímetro
trabaja bajo la base del principio de acción recíproca
de campo electromagnético el cual se fija en la
bobina sobre el núcleo ferromagnético, que se
considera movimiento del mismo en las partes que lo
generan[5].
III. AMPERÍMETRO
Podemos tomar el amperímetro como una especie de
“evolución” del galvanómetro( el cual es un instrumento que
sirve para determinar la intensidad y el sentido de una
corriente eléctrica) ya que este tiene limitaciones a la hora de
medir cantidades de corriente elevadas[6].
Imagen de amperimetro con bobina móvil tomada de:
https://peaktech-rce.com/es/herramientas-de-ensenanza/292-peaktech-205-09-
amperimetro-con-bobina-movil-ca-15a-escala-de-espejo.html[7]
Un amperímetro tiene algunas partes fundamentales que
deberíamos conocer antes de proceder a su manipulación las
cuales nombraremos a continuación[8]:
● Galvanómetro el cual consiste en un núcleo metálico
envuelto en un cable fino.
● Resistencia shunt(una resistencia de muy bajo valor).
● Aguja, que se encarga de señalar el valor medido.
● Panel de lectura que muestra el valor señalado por la
aguja.
● Terminal de entrada positivo (Casi siempre es el de
color rojo).
● Terminal de entrada negativo (Por lo general este
tiene un color negro).
A. ¿Cómo funciona un amperímetro?
El amperímetro necesita estar en serie, para que la corriente
fluya por él. La bobina móvil que posee internamente y se
encuentre entre los polos de un imán fijo que cuando la
corriente entra en contacto con la bobina crea un campo
magnético, que dependiendo de la intensidad de la corriente
creará un campo magnético mayor o inferior.
Con este campo magnético, la bobina se desplazará
proporcionalmente a la intensidad de la corriente haciendo
mover el indicador de amperios y de esta forma, dando la
medida de intensidad del circuito[9].
Circuito de un amperímetro de varias escalas con selector de
seguridad. Imagen tomada de “AMPERÍMETRO, VOLTÍMETRO,
OHMETRO y MULTÍMETRO” page 6.[4]
B. Tipos de amperímetro.
1) Amperímetro analógico: En este tipo de
amperímetro la lectura de los amperios es
representada por el movimiento de una
aguja, sobre un tablero de rango de
medición, sujeta a un eje para realizar el
movimiento. Realiza el movimiento por un
embobinado que recibe el voltaje y
dependiendo de sus amperes la aguja se
desplazará más o menos cerca del cero.
imagen de amperimetro analogico tomada de:
https://www.electronicaembajadores.com/es/Productos/Detalle/IPAA711/instr
umentos-de-panel/instrumentos-analogicos-amperimetros/instrumento-panel-
amperimetro-analogico-70-x-60-mm-100-ua-cc-aim70100u[10]
2) Amperímetro digital: Este amperímetro es
la evolución del amperímetro analógico,
dado a que implementan resistencias de
derivación y para traducir los datos usan
convertidores analógicos-digitales. Las
partes mecánicas móviles son sustituidas por
circuitos eléctricos.
Imagen de un amperímetro digital tomada de:
https://adajusa.es/voltimetos-y-amperimetros-digitales/amperimetro-digital-72
x72-dp-72a.html[11]
3) Pinzas amperométricas: Es el más fácil de
usar de todos los amperímetros, pues solo
debes engancharlo en el circuito que quieres
medir, sin necesidad de ponerlo en serie[12].
Imagen de pinzas amperimétricas tomada de :
https://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-460206962-etekcity-msrc600-multi
metros-pinzas-amperimetricas-digitales-_JM?quantity=1
IV. OHMETRO
El óhmetro es un instrumento de medición eléctrica, que es
empleado para medir la resistencia de un material a la
corriente..
Imagen de un óhmetro digital tomada de:
https://ingenieriaelectronica.org/ohmetro-definicion-tipos-caracteristicas/[13]A. ¿Cómo funciona un ohmetro?
Esta herramienta posee una batería o circuito que genera
una corriente constante que es aplicada al material y a partir de
ella se determina su porcentaje de resistencia
Circuito de un óhmetro de varias escalas. Imagen tomada de
“AMPERÍMETRO, VOLTÍMETRO, OHMETRO y
MULTÍMETRO” page 23.[4]
B. TIPOS DE OHMETRO
1) Óhmetro analógico:Su indicador es con agua y
necesita ser calibrado con frecuencia, procedimiento
fácil de hacer al tener un tornillo que mueve dicha
aguja permitiendo que la lleves a cero.
Ohmetro analogico. Imagen tomada de:
https://www.directindustry.es/prod/simpson/product-9092-453614.
html[14]
2) Óhmetro digital: Muestra los datos en una pantalla
lcd siendo sumamente práctico, posee mayor
precisión que el analógico. Algunos son más
complejos de usar, pero una ventaja son las medidas
de seguridad que poseen.
Óhmetro digital de baja tensión. Imagen tomada de:
https://www.directindustry.es/prod/alphalab-inc/product-61067-1440441.html
[15]
3) Óhmetro de precisión: Este es diferente por el
número de terminales, ya que no tiene dos sino
cuatro, dos para llevar la corriente como en los
usuales y los otros dos miden el voltaje entre los
terminales[16].
Óhmetro de precisión. Imagen tomada
de:https://www.pce-instruments.com/espanol/instrumento-medida/medidor/oh
metro-pce-instruments-_hmetro-pce-itm-20-det_5888485.htm[17]
V. HISTORIA DE LAS BATERÍAS
En el año 1800 el científico Alessandro Volta inventó la
primera batería capaz de dar una corriente continua apilando
pares de discos de cobre y zinc con una tela mojada en agua
salada entre los discos esta es conocida como la pila
voltaica[18], unos años más tarde en el 1836 un científico
británico llamado Frederic Daniell estaba buscando la forma
de eliminar uno de los problemas de la pila voltaica que era el
hecho de que aparecieran burbujas de hidrógeno en ella , una
vez pudo solucionar este problema creo una nueva pila
conocida como la pila Daniell la cual era una vasija de cobre
llena de una disolución de sulfato de cobre en la cual se
sumerge un recipiente de arcilla sin esmaltar lleno de ácido
sulfúrico y un electrodo de zinc.
Por otro lado en el año 1839 William Grove creó la pila
Grove reversionado la pila Daniell, haciendo una pila con un
ánodo de zinc sumergido en ácido sulfúrico y un cátodo de
platino sumergido en ácido nítrico las cuales separó por barro
poroso, esta batería tenía una corriente muy alta y un voltaje
de prácticamente el doble que la pila Daniell, sin embargo
tenía una seria desventaja y es que expulsaba gases nocivos
cuando estaba operando.Unas décadas más tarde en 1860 un
francés llamado callaud tambien fabrico una variante de la pila
Daniell llamada celda de gravedad la cual tenía un diseño más
simple y no necesito de la barrera porosa que separaba los
componentes esto hizo que tuviera menos resistencia y
produjera una corriente más intensa, esta consistía de un
frasco de vidrio, con un cátodo de cobre asentado en la parte
inferior y un ánodo de zinc, colgado por debajo del borde. Se
esparcían cristales de sulfato de cobre junto al cátodo, y el
frasco se llenaba con agua destilada. Cuando la corriente
circulaba se formaba una capa de disolución de sulfato de zinc
en la parte superior junto al ánodo. Esta capa superior se
mantenía separada de la capa de sulfato de cobre del fondo por
su menor densidad[19].
Por la misma época en la cual fue creada la pila gravitatoria
hubo un científico que estaba intentando resolver otra
problemática de las baterías de la época, Gaston Planté
buscaba como hacer para que una batería una vez se acabara
se pudiera volver a llenar y obviamente logró su objetivo
creando la primera batería recargable de la historia, la batería
de plomo-ácido, la cual se volvia a cargar haciendo pasar
corriente en sentido inverso a través de ella, esta se compone
de un ánodo de plomo y un cátodo de dióxido de plomo
sumergidos en ácido sulfúrico. Ambos electrodos reaccionan
con el ácido para producir sulfato de plomo, pero la reacción
en el ánodo de plomo libera electrones mientras que la
reacción en el óxido de plomo los capta, lo que produce una
corriente. Estas reacciones químicas pueden ser revertidas
mediante la aplicación de una corriente en sentido inverso, lo
que permite recargarla, al igual que se de debe hacer antes de
su primer uso.
Ya pasado un tiempo en 1866 George Leclanché inventó
una batería que consistía en un ánodo de zinc y un cátodo de
dióxido de manganeso envueltos en un material poroso,
sumergidos en un frasco de disolución de cloruro de amonio.
esta pila conocida como la pila Leclanché tuvo éxito muy
pronto pero tenía un gran inconveniente y es que era apta para
uso intermitente puesto que algunas reacciones químicas
dentro de esta, hacían que aumentara su resistencia lo cual se
reflejaba en una caída de voltaje, esto se revertía una vez había
pasado un tiempo de inactividad. Un año después Carl
Gassner creó una variación de la celda Lechance la cual fue
bautizada como la “celda seca” llamado así porque sus
componentes no eran electrolito líquido libre, el prefirio
mezclar cloruro de amonio con yeso de París para crear una
pasta, con un poco de cloruro de zinc añadido para prolongar
la vida útil. El cátodo de dióxido de manganeso se sumerge en
la pasta, y ambos fueron encerrados en una carcasa de zinc,
que también actuaba como ánodo, a diferencia de las pilas
húmedas esta era mucho mas practica y facil de usar, no
requiere de mantenimiento, no se derramaba, y podía ser usada
en cualquier orientación y además de todas las ventajas
nombradas anteriormente fue la primera batería apropiada
para uso más cotidiano[20].
A finales del siglo XVII un científico sueco llamado
Waldmar Jungner inventó la batería de níquel-cadmio(la
primera batería alcalina), una batería recargable que tenía
electrodos de níquel y cadmio en una disolución de hidróxido
de potasio, estas contaban con una densidad energética
bastante mayor a las baterías de plomo-Ácido pero eran
mucho más caras.
En 1955, un ingeniero que trabajaba para la empresa
Eveready (ahora conocida como Energizer) llamado Lewis
Urry intentaba encontrar una manera de extender la vida de las
baterías de zinc-carbono, pero Urry decidió en cambio que las
pilas alcalinas eran más prometedoras. Hasta ese momento, las
más duraderas pilas alcalinas eran invariablemente caras. La
batería de Urry se componía de un cátodo de dióxido de
manganeso y un ánodo de zinc en polvo con un electrolito
alcalino.17 A base de zinc en polvo se dotó al ánodo de una
mayor superficie[21].
Finalmente para concluir la historia de las baterías tenemos
las 2 fases más actuales de estas, empezaremos por una fase
que fue más una fase de transición y experimentación, que fue
la de la pila de litio en 1970 puesto que el litio es más liviano
y tiene mayor potencial electroquímico, en un espacio entre
1912 y 1970 este material fue producto de experimentación al
ser mezclado con diferentes materiales con los cuales se
producían baterías económicas que podían proporcionar un
buen voltaje como por ejemplo la pila de litio y monofluoruro
de carbono la cual era capaz de darnos unos 3,2 voltios, y su
principal uso es para pequeños dispositivos como cámaras, ya
con esta explicación podemos entrar a la fase 2 la cual sucedió
a partir de 1980 cuando el químico estadounidense John
Goodenough dirigió un equipo de investigación de Sony que
produciría finalmente la batería de iones de litio, recargable y
una versión más estable de la batería de litio la cual en sus
versiones más primigenias se pondría a la venta en 1991,
transcurrido un poco el tiempo después de la salida de estas
primeras baterías de ion de litio en 1996, se lanzó al mercado
la batería de polímero de ion de litio. Estas baterías alojan su
electrolito en un polímero sólido compuesto, en lugar de en un
disolvente líquido, por otra parte los electrodos y los
separadores se laminan entre sí. Esta última diferencia permite
que la batería pueda quedar encerrada en una envoltura
flexibleen lugar de una carcasa metálica rígida, lo que
significa que este tipo de baterías puede ser fabricado
específicamente para adaptarse a un dispositivo en particular,
curiosamente aunque este avance parecía algo complejo de
superar esta surgiendo un nuevo tipo de batería conocida como
batería de litio-azufre, la cual parece tener el doble de
densidad energética por menos costo de fabricación y Los
resultados muestran una alta capacidad por encima de los 500
ciclos, una durabilidad superior a lo ofrecido normalmente
para este tipo de baterías que junto con su alta densidad
energética las postulan como candidatas para su uso en
vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía
a gran escala[23].
REFERENCES
[1] https://www.demaquinasyherramientas.com/herramientas-de-medicion/i
ntroduccion-al-voltimetro
[2] https://peaktech-rce.com/es/herramientas-de-ensenanza/479-peaktech-32
02-voltimetro-analogico-ccca-cc-20kv-01-500v.html
[3] https://como-funciona.co/un-voltimetro/
[4] Esquema eléctrico de un voltímetro. Imagen tomada de
“AMPERÍMETRO, VOLTÍMETRO, OHMETRO y
MULTÍMETRO” page 8.
[5] https://fututel.com/es/tienda-online-mejores-precios-y-productos-de-mar
ca/3102-tipos-y-como-funciona-un-voltimetro
[6] https://www.demaquinasyherramientas.com/herramientas-de-medicion/a
mperimetros-tipos-y-usos
[7] https://peaktech-rce.com/es/herramientas-de-ensenanza/292-peaktech-20
5-09-amperimetro-con-bobina-movil-ca-15a-escala-de-espejo.html
[8] https://www.euston96.com/amperimetro/
[9] https://materialeslaboratorio.com/amperimetro/
[10] https://www.electronicaembajadores.com/es/Productos/Detalle/IPAA711
/instrumentos-de-panel/instrumentos-analogicos-amperimetros/instrume
nto-panel-amperimetro-analogico-70-x-60-mm-100-ua-cc-aim70100u.
[11] https://adajusa.es/voltimetos-y-amperimetros-digitales/amperimetro-digi
tal-72x72-dp-72a.html
[12] https://materialeslaboratorio.com/amperimetro/
[13] https://ingenieriaelectronica.org/ohmetro-definicion-tipos-caracteristicas/
[14] https://www.directindustry.es/prod/simpson/product-9092-453614.html
[15] https://www.directindustry.es/prod/alphalab-inc/product-61067-1440441
.html
[16] https://materialeslaboratorio.com/ohmimetro/
[17] https://www.pce-instruments.com/espanol/instrumento-medida/medidor/
ohmetro-pce-instruments-_hmetro-pce-itm-20-det_5888485.htm
[18] Origin of Electrical Power, National Museum of American History
[19] Giorgio Carboni, Experiments in Electrochemistry .
[20] The Columbia Dry Cell Battery 19 de noviembre de 2010 en la
Wayback Machine., American Chemical Society
[21] Electricidad: principios y aplicaciones. Richard J. Fowler. Editorial
Reverté, 1994. ISBN 8429130284. Pág. 67
[22] battery. (2010). En: Encyclopædia Britannica.[Encyclopædia Britannica
Online: http://www.britannica.com/EBchecked/topic/56126/battery]
[23] https://forococheselectricos.com/2018/12/nueva-bateria-de-litio-azufre-d
oble-densidad-energetica-misma-durabilidad-que-las-ion-litio.html