Circuito di Kelvin | Ponte di Kelvin doppio
Prima di introdurre il ponte di Kelvin, è essenziale comprendere la necessità di questo ponte, anche se disponiamo del ponte di Wheatstone, che è in grado di misurare con precisione la resistenza elettrica (di solito con un'accuratezza intorno allo 0,1%).
Per comprendere la necessità del ponte di Kelvin, dobbiamo prima riconoscere 3 modi importanti per categorizzare la resistenza elettrica:
Alta resistenza: Resistenza superiore a 0,1 Mega-ohm.
Resistenza media: Resistenza compresa tra 1 ohm e 0,1 Mega-ohm.
Bassa resistenza: In questa categoria, il valore della resistenza è inferiore a 1 ohm.
La logica di questa classificazione è che, se vogliamo misurare la resistenza elettrica, dobbiamo utilizzare dispositivi diversi per diverse categorie. Ciò significa che se un dispositivo usato per misurare la alta resistenza fornisce alta accuratezza, potrebbe o non potrebbe fornire tale alta accuratezza nella misurazione dei valori bassi di resistenza.
Quindi, dobbiamo usare il nostro giudizio per decidere quale dispositivo utilizzare per misurare un determinato valore di resistenza elettrica. Esistono tuttavia altri metodi come il metodo amperometro-voltmetro, il metodo di sostituzione, ecc., ma questi danno errori maggiori rispetto al metodo del ponte e sono evitati in molte industrie.
Ricordiamo ancora una volta la nostra classificazione fatta sopra, man mano che ci muoviamo dall'alto verso il basso, il valore della resistenza diminuisce, quindi, abbiamo bisogno di un dispositivo più preciso e accurato per misurare i valori bassi di resistenza.
Uno dei principali svantaggi del ponte di Wheatstone è che, sebbene possa misurare la resistenza da pochi ohm a diversi mega-ohm, produce errori significativi quando misura le basse resistenze.
Pertanto, abbiamo bisogno di alcune modifiche nel ponte di Wheatstone stesso, e il ponte modificato ottenuto è il ponte di Kelvin, che non solo è adatto per misurare valori bassi di resistenza, ma ha un'ampia gamma di applicazioni nel mondo industriale.
Discutiamo alcuni termini che saranno molto utili nello studio del ponte di Kelvin.
Ponte:
I ponti di solito consistono di quattro bracci, un rivelatore di bilanciamento e una sorgente. Funzionano sul concetto della tecnica del punto nullo. Sono molto utili nelle applicazioni pratiche perché non c'è bisogno di rendere il metro lineare preciso con una scala accurata. Non è necessario misurare la tensione e la corrente, l'unica esigenza è controllare la presenza o l'assenza di corrente o tensione. Tuttavia, la principale preoccupazione è che durante il punto nullo, il metro deve essere in grado di rilevare una corrente abbastanza piccola. Un ponte può essere definito come divider di tensione in parallelo e la differenza tra i due divider è la nostra uscita. È altamente utile nella misurazione di componenti come la resistenza elettrica, la capacità, l'induttore e altri parametri di circuito. L'accuratezza di qualsiasi ponte è direttamente correlata ai componenti del ponte.
Punto nullo:
Si può definire come il punto in cui si verifica la misurazione nullo quando la lettura dell'ammeter o del voltmetro è zero.
Circuito del ponte di Kelvin
Come abbiamo discusso, il ponte di Kelvin è un ponte di Wheatstone modificato e fornisce alta accuratezza, specialmente nella misurazione delle basse resistenze. Ora, la domanda che dovrebbe sorgere nella nostra mente è: dove abbiamo bisogno di questa modifica? La risposta a questa domanda è molto semplice – è la porzione dei collegamenti e dei contatti dove dobbiamo fare la modifica, poiché questi incrementano la resistenza netta.
Consideriamo il ponte di Wheatstone modificato o il circuito del ponte di Kelvin mostrato di seguito:
Dove, t è la resistenza del collegamento.
C è la resistenza sconosciuta.
D è la resistenza standard (il cui valore è noto).
Indichiamo i due punti j e k. Se il galvanometro è connesso al punto j, la resistenza t viene aggiunta a D, il che risulta in un valore troppo basso di C. Ora, se connettiamo il galvanometro al punto k, risulterebbe in un valore alto della resistenza sconosciuta C.
Connettiamo il galvanometro al punto d, che si trova tra j e k, in modo che d divida t in rapporto t1 e t2, ora dalla figura sopra si può vedere che
Allora, anche la presenza di t1 non causa errore, possiamo scrivere,
Possiamo concludere che non c'è effetto di t (cioè la resistenza dei collegamenti). Praticamente è impossibile avere tale situazione, tuttavia la modifica semplice suggerisce che il galvanometro può essere connesso tra questi punti j e k per ottenere il punto nullo.
Doppio ponte di Kelvin
Perché viene chiamato doppio ponte? Perché incorpora un secondo set di bracci di rapporto come mostrato di seguito:
In questo, i bracci di rapporto p e q vengono utilizzati per connettere il galvanometro al punto corretto tra j e k per rimuovere l'effetto del collegamento alla resistenza elettrica t. Nella condizione di equilibrio, il caduta di tensione tra a e b (cioè E) è uguale a F (caduta di tensione tra a e c)
Per una deflessione del galvanometro nulla, E = F
Raggiungiamo nuovamente lo stesso risultato – t non ha effetto. Tuttavia, l'equazione (2) è utile in quanto fornisce l'errore quando:
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