Potenciómetro (instrumento de medición)

Un potenciómetro es un instrumento para medir voltaje , o "diferencia de potencial", mediante la comparación de un voltaje desconocido con un voltaje de referencia conocido . Si se utiliza un instrumento indicador sensible, se extrae muy poca corriente de la fuente del voltaje desconocido. Dado que el voltaje de referencia se puede obtener a partir de un divisor de voltaje calibrado con precisión , un potenciómetro puede proporcionar una alta precisión en la medición. El método fue descrito por Johann Christian Poggendorff alrededor de 1841 y se convirtió en una técnica de medición de laboratorio estándar. ^{[ 1 ]}

En este sistema, una fracción de un voltaje conocido, proveniente de un hilo conductor resistivo, se compara con un voltaje desconocido mediante un galvanómetro . Se ajusta el contacto deslizante del potenciómetro y se conecta brevemente el galvanómetro entre dicho contacto y el voltaje desconocido. Se observa la desviación del galvanómetro y se ajusta el contacto deslizante hasta que el galvanómetro deje de desviarse de cero. En ese punto, el galvanómetro no consume corriente de la fuente desconocida y la magnitud del voltaje se puede calcular a partir de la posición del contacto deslizante.

Este método de medición de equilibrio nulo sigue siendo importante en la metrología eléctrica y en el trabajo de normalización, y también se utiliza en otras áreas de la electrónica.

Los potenciómetros de medición se dividen en cuatro clases principales que se enumeran a continuación.

El principio de un potenciómetro se basa en que la caída de potencial en un segmento de un cable de sección transversal uniforme por el que circula una corriente constante es directamente proporcional a su longitud. El potenciómetro es un dispositivo sencillo que se utiliza para medir potenciales eléctricos (o comparar la fuerza electromotriz de una pila). Un ejemplo de potenciómetro es un cable uniforme de alta resistencia sujeto a un soporte aislante, con una escala de medición lineal. Para su uso, se conecta al cable una fuente de voltaje regulada ajustable E, de mayor magnitud que el potencial que se desea medir, de manera que circule una corriente constante a través de él.

Entre el extremo del cable y cualquier punto a lo largo del mismo existirá un potencial proporcional a la longitud del cable hasta ese punto. Al comparar el potencial en diferentes puntos del cable con un potencial desconocido, se puede determinar la magnitud de este último. El instrumento utilizado para la comparación debe ser sensible, pero no es necesario que esté especialmente bien calibrado ni sea muy preciso, siempre que su desviación de la posición cero pueda detectarse fácilmente.

En este circuito, los extremos de un hilo resistivo uniforme R ₁ están conectados a una fuente de alimentación de CC regulada V _S para su uso como divisor de voltaje. El potenciómetro se calibra primero colocando el cursor (flecha) en el punto del hilo R ₁ que corresponde al voltaje de una pila estándar, de modo que${\displaystyle {\frac {R_{2}}{R_{1}}}={\frac {\text{voltaje de la celda}}{V_{\text{S}}}}.}$

Se utiliza una celda electroquímica estándar, cuya fuerza electromotriz es conocida (por ejemplo, 1,0183  voltios para una celda estándar de Weston ). ^{[ 2 ] [ 3 ]}

A continuación, se ajusta la tensión de alimentación V _{S hasta que el} galvanómetro marque cero, lo que indica que la tensión en R ₂ es igual a la tensión estándar de la pila.

Se conecta una tensión continua desconocida, en serie con el galvanómetro, al cursor deslizante, a través de una sección de longitud variable _R3 del hilo resistivo. El cursor se mueve hasta que no fluye corriente hacia o desde la fuente de tensión desconocida, según lo indica el galvanómetro conectado a dicha fuente. La tensión en la sección R3 seleccionada del hilo _resistivo es entonces igual a la tensión desconocida. El último paso consiste en calcular la tensión desconocida a partir de la fracción de la longitud del hilo resistivo conectada a dicha tensión.

El galvanómetro no necesita calibración, ya que su única función es indicar si el valor es cero o distinto de cero. Al medir un voltaje desconocido y si el galvanómetro marca cero, no se extrae corriente de dicho voltaje, por lo que la lectura es independiente de la resistencia interna de la fuente, como si se tratara de un voltímetro de resistencia infinita .

Debido a que el hilo resistivo puede fabricarse con una sección transversal y una resistividad muy uniformes, y a que la posición del cursor se puede medir fácilmente, este método puede utilizarse para medir voltajes de CC desconocidos mayores o menores que un voltaje de calibración producido por una pila estándar sin extraer ninguna corriente de dicha pila.

Si el potenciómetro está conectado a una fuente de alimentación de CC de voltaje constante, como una batería de plomo-ácido , se puede utilizar una segunda resistencia variable (no mostrada) para calibrar el potenciómetro variando la corriente que pasa a través del cable de resistencia R ₁ .

Si la longitud del hilo resistivo R1 es AB , donde A es el extremo negativo y B es el extremo positivo, y el cursor móvil se encuentra en el punto _X a una distancia AX en la porción R3 del hilo resistivo cuando el galvanómetro indica una lectura de cero para un voltaje desconocido, la distancia _AX se mide o se lee en una escala preimpresa junto al hilo resistivo. A continuación, se puede calcular el voltaje desconocido:${\displaystyle V_{U}=({\text{voltaje de la celda de calibración}}){\frac {AX}{AB}}.}$

El potenciómetro de resistencia constante es una variación del principio básico en el que se hace pasar una corriente variable a través de una resistencia fija. Estos se utilizan principalmente para mediciones en el rango de milivoltios y microvoltios.

Se trata de una variante del potenciómetro de resistencia constante descrito anteriormente, pero diseñada para minimizar los efectos de la resistencia de contacto y la fuerza electromotriz térmica. Este equipo funciona satisfactoriamente con lecturas de hasta 1000  nV aproximadamente.

Otro desarrollo de los tipos estándar fue el "potenciómetro de termopar", especialmente adaptado para la medición de temperatura con termopares . ^{[ 4 ]} Los potenciómetros para uso con termopares también miden la temperatura a la que están conectados los cables del termopar, de modo que se puede aplicar una compensación de unión fría para corregir la FEM medida aparente a la temperatura estándar de unión fría de 0  °C.

Para realizar una determinación potenciométrica de un analito en una solución, se mide el potencial de la celda. Esta medición debe corregirse teniendo en cuenta los potenciales de referencia y de unión. También puede utilizarse en métodos de estandarización. La concentración del analito se puede calcular mediante la ecuación de Nernst . Existen diversas variantes de este principio básico para mediciones cuantitativas.

Un puente métrico es un tipo sencillo de potenciómetro que se puede utilizar en laboratorios de ciencias escolares para demostrar el principio de medición de resistencia mediante potenciometría. Se coloca un hilo resistivo a lo largo de una regla métrica y se hace contacto con el hilo a través de un galvanómetro mediante un cursor. Cuando el galvanómetro marca cero, la relación entre las longitudes del hilo a la izquierda y a la derecha del cursor es igual a la relación entre los valores de una resistencia conocida y una desconocida en un circuito en paralelo. ^{[ 5 ]}

• Potenciómetro (divisor de voltaje)
• Puente de Wheatstone

• Imágenes de potenciómetros de medición
• Equipos de calibración eléctrica, incluidos diversos potenciómetros de medición.