Galvanómetro de espejo

Un galvanómetro de espejo es un amperímetro que indica que ha detectado una corriente eléctrica al desviar un haz de luz con un espejo . El haz de luz proyectado sobre una escala actúa como un puntero largo sin masa. En 1826, Johann Christian Poggendorff desarrolló el galvanómetro de espejo para detectar corrientes eléctricas. El aparato también se conoce como galvanómetro de punto por el punto de luz producido en algunos modelos.

Los galvanómetros de espejo se utilizaron ampliamente en instrumentos científicos antes de que existieran amplificadores electrónicos fiables y estables. Los usos más comunes eran como equipo de registro para sismómetros y cables submarinos utilizados para telegrafía.

En la actualidad, el término galvanómetro de espejo también se utiliza para dispositivos que mueven rayos láser al girar un espejo a través de un galvanómetro, a menudo con un circuito de control tipo servo . El nombre suele abreviarse como galvo .

El galvanómetro de espejo fue mejorado significativamente por William Thomson , que más tarde se convertiría en Lord Kelvin. Acuñó el término galvanómetro de espejo y patentó el dispositivo en 1858. Thomson pretendía que el instrumento leyera corrientes de señal débiles en cables telegráficos submarinos muy largos . ^[1] Este instrumento era mucho más sensible que cualquiera de los anteriores, lo que permitía detectar el más mínimo defecto en el núcleo de un cable durante su fabricación y su inmersión.

Después de participar en el fallido intento de tender un cable telegráfico transatlántico en 1857, Thomson decidió que necesitaba un instrumento extremadamente sensible. Trabajó en el dispositivo mientras esperaba una nueva expedición al año siguiente. Primero trató de mejorar un galvanómetro utilizado por Hermann von Helmholtz para medir la velocidad de las señales nerviosas en 1849. El galvanómetro de Helmholtz tenía un espejo fijado a la aguja móvil, que se utilizaba para proyectar un haz de luz sobre la pared opuesta, amplificando así enormemente la señal. Thomson pretendía hacerlo más sensible reduciendo la masa de las partes móviles, pero en un destello de inspiración mientras observaba la luz reflejada desde su monóculo colgado alrededor de su cuello, se dio cuenta de que podía prescindir por completo de la aguja y su soporte. En su lugar utilizó un pequeño trozo de vidrio espejado con un pequeño trozo de acero magnetizado pegado en la parte posterior. Este estaba suspendido por un hilo en el campo magnético de la bobina sensora fija. En su prisa por probar la idea, Thomson primero utilizó un pelo de su perro, pero luego utilizó un hilo de seda del vestido de su sobrina Agnes. ^[1]

Lo que sigue es una adaptación de un relato contemporáneo del instrumento de Thomson: ^[2]

El galvanómetro de espejo consiste en una bobina fina y larga de alambre de cobre cubierto de seda. En el centro de esa bobina, dentro de una pequeña cámara de aire, cuelga un pequeño espejo redondo de una sola fibra de seda, con cuatro pequeños imanes pegados en su parte posterior. Un haz de luz se proyecta desde una lámpara sobre el espejo y se refleja en una pantalla o escala blanca a unos pocos pies de distancia, donde forma un punto de luz brillante. Cuando no hay corriente en el instrumento, el punto de luz permanece estacionario en la posición cero en la pantalla; pero en el instante en que una corriente atraviesa el largo alambre de la bobina, los imanes suspendidos se retuercen horizontalmente y se salen de su posición anterior, el espejo se inclina con ellos y el haz de luz se desvía a lo largo de la pantalla hacia un lado o hacia el otro, según la naturaleza de la corriente. Si una corriente eléctrica positiva da una desviación hacia la derecha del cero, una corriente negativa dará una desviación hacia la izquierda del cero, y viceversa.

El aire de la pequeña cámara que rodea al espejo se comprime a voluntad, de modo que actúa como un cojín y amortigua los movimientos del espejo. De este modo, se evita que la aguja se balancee ociosamente en cada desviación y las señales separadas se vuelven abruptas. En una estación receptora, la corriente que llega desde el cable simplemente tiene que pasar a través de la bobina antes de enviarla a tierra, y el punto de luz errante en la pantalla representa fielmente todas sus variaciones al empleado, quien, al observar, las interpreta y grita el mensaje palabra por palabra. El pequeño peso del espejo y los imanes que forman la parte móvil de este instrumento, y el alcance al que se pueden magnificar los minúsculos movimientos del espejo en la pantalla mediante el haz de luz reflejado, que actúa como una larga mano impalpable o un puntero, hacen que el galvanómetro de espejo sea maravillosamente sensible a la corriente, especialmente cuando se lo compara con otras formas de instrumentos receptores. Los mensajes podían enviarse desde el Reino Unido a los Estados Unidos a través de un cable del Atlántico y regresar a través de otro, y allí recibirse en el galvanómetro de espejo; la corriente eléctrica utilizada era la de una batería de juguete hecha con un dedal de plata de señora, un grano de zinc y una gota de agua acidulada.

La ventaja práctica de esta extrema delicadeza es que las ondas de señal de la corriente pueden seguirse entre sí tan de cerca que casi se fusionan por completo, dejando sólo una ligera subida y bajada de sus crestas, como ondulaciones en la superficie de una corriente de agua, y sin embargo el punto luminoso responderá a cada una. El flujo principal de la corriente, por supuesto, desplazará el cero del punto, pero además de este cambio de lugar, el punto seguirá las fluctuaciones momentáneas de la corriente que forman las señales individuales del mensaje. Debido a este desplazamiento del cero y la ligera subida y bajada de la corriente producida por la señalización rápida, los instrumentos de línea terrestre ordinarios son completamente inservibles para trabajar con cables largos.

El galvanómetro de bobina móvil fue desarrollado independientemente por Marcel Deprez y Jacques-Arsène d'Arsonval alrededor de 1880. El galvanómetro de Deprez fue desarrollado para corrientes altas, mientras que D'Arsonval diseñó el suyo para medir corrientes débiles. A diferencia del galvanómetro de Kelvin, en este tipo de galvanómetro el imán es estacionario y la bobina está suspendida en el hueco del imán. El espejo unido al marco de la bobina gira junto con él. Esta forma de instrumento puede ser más sensible y precisa y reemplazó al galvanómetro de Kelvin en la mayoría de las aplicaciones. El galvanómetro de bobina móvil es prácticamente inmune a los campos magnéticos ambientales. Otra característica importante es la autoamortiguación generada por las fuerzas electromagnéticas debido a las corrientes inducidas en la bobina por sus movimientos del campo magnético. Estas son proporcionales a la velocidad angular de la bobina.

En la actualidad, los galvanómetros de espejo de alta velocidad se emplean en espectáculos de luces láser para mover los rayos láser y producir patrones geométricos coloridos en la niebla alrededor de la audiencia. Estos galvanómetros de espejo de alta velocidad han demostrado ser indispensables en la industria para los sistemas de marcado láser para todo, desde herramientas manuales, contenedores y piezas de grabado láser hasta obleas de semiconductores de codificación por lotes _en la fabricación de dispositivos semiconductores . Por lo general, controlan las direcciones X e Y en los marcadores láser Nd:YAG y CO2 para controlar la posición del punto láser de potencia infrarroja. La ablación láser , el mecanizado con rayos láser y el troceado de obleas son áreas industriales en las que se pueden encontrar galvanómetros de espejo de alta velocidad.

Este galvanómetro de bobina móvil se utiliza principalmente para medir corrientes muy débiles o bajas del orden de 10 ⁻⁹  A.

Para linealizar el campo magnético a lo largo de la bobina en todo el rango de movimiento del galvanómetro, se coloca un cilindro de hierro dulce diseñado por D'Arsonval dentro de la bobina sin tocarla. Esto genera un campo radial constante, en lugar de un campo lineal paralelo.

• Galvanómetro de cuerda

• "Galvómetro de Marcel Deprez para corrientes fuertes". Nature . 22 (559): 246–7. 15 julio 1880. Bibcode :1880Natur..22R.246.. doi : 10.1038/022246b0 .

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