¿Por qué un voltímetro aún puede medir la diferencia de potencial si tiene una resistencia (teóricamente) infinita?

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¡Soy un profesor de física que hizo ingeniería y odiaba todo lo eléctrico! Por lo tanto, cuando mis alumnos a veces me preguntan cómo un voltímetro puede medir la diferencia de potencial entre dos puntos si no hay corriente que pase por el voltímetro. Solo puedo suponer que es porque tener una resistencia infinita es imposible, pero nunca he tenido la confianza para responder esto sin preocuparme de proporcionarles información incorrecta.

Mi idea actual es que la resistencia de un voltímetro es teóricamente infinita, en cuyo caso habrá un flujo de corriente, por pequeño que sea, que el voltímetro de una resistencia predeterminada pueda usar de alguna manera para calcular la diferencia de potencial real.

¿Alguien puede explicar si estoy en la línea correcta con esto y ayudarme a explicar esto en términos definidos o al menos descuidarme de mis suposiciones y decirme la idea correcta?

William Tabary-Peterssen
fuente
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Creo que esta es una muy buena pregunta: toca el fondo a sí, habrá un flujo de corriente debido a los circuitos de entrada imperfectos, pero estas corrientes pueden no estar relacionadas con la entrada (es decir, las corrientes de fuga), por lo que ignorando esto, ¿qué mecanismo hace un voltímetro? empleo que solo se basa en medir el voltaje en lugar de algún efecto secundario como la corriente.
Andy alias
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Que pena por ti, profesor de física. : ^) (Solo es broma.) Como otros voltímetros reales dicen que la corriente de consumo y los amperímetros reales tienen alguna caída de voltaje.
George Herold
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¿Cómo puede una célula de carga medir la fuerza si no es (significativamente) blanda? ¿Puedes medir cuán fuerte estás presionando una pared de ladrillos, aunque la pared de ladrillos sea inamovible?
Phil Frost
@PhilFrost Un dispositivo de equilibrio de fuerza puede tener un movimiento insignificante (estáticamente, de todos modos), ya que el sistema de control puede tener una ganancia arbitrariamente alta. En realidad, el movimiento podría reducirse 6 o más dígitos significativos como en los acelerómetros controlados por ITAR de alta gama.
Spehro Pefhany
Cuando hablamos de un voltímetro con resistencia infinita, generalmente no nos referimos a un voltímetro real sino a un voltímetro ideal . Es el modelo más simple de un voltímetro porque no afecta el circuito que se está midiendo. --- Como otros escribieron voltímetros generalmente no tienen una resistencia infinita. Hay voltímetros que tienen (casi) resistencia infinita pero no tienen reactancia infinita.
pabouk

Respuestas:

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La dificultad subyacente parece ser la creencia de que algo de corriente debe fluir para medir el voltaje. Esto es falso Como eres profesor de física, te lo explicaré haciendo analogías con otros sistemas físicos.

Digamos que tenemos dos recipientes sellados, cada uno lleno de un poco de líquido. Queremos medir la diferencia de presión entre ellos. Al igual que el voltaje, la presión relativa es una diferencia de potenciales.

Podríamos conectarlos con un tubo que está bloqueado en su centro por un diafragma de goma. Al principio se moverá algo de líquido, pero solo hasta que el diafragma se estire para equilibrar las fuerzas de los fluidos que actúan sobre él. Entonces podemos inferir la diferencia de presión a partir de la desviación del diafragma.

Esto cumple con la definición de resistencia infinita en la analogía eléctrica, ya que una vez que este sistema ha alcanzado el equilibrio, no fluye corriente (descuidando la difusión a través del diafragma, que puede hacerse arbitrariamente pequeño y no es necesario para el funcionamiento del dispositivo).

Sin embargo, no califica como impedancia infinita , porque tiene una capacitancia distinta de cero . De hecho, este dispositivo es exactamente el modelo mental de condensador favorito de Bill Beaty :

condensador (analogía del agua)

De hecho, hay dispositivos que miden el voltaje que funcionan de manera análoga. La mayoría de los electroscopios entran en esta categoría. Por ejemplo, el electroscopio de bola de médula:

electroscopio de bola de médula

Muchos de estos dispositivos son muy antiguos y requieren voltajes muy altos para funcionar. Sin embargo, los MOSFET modernos son esencialmente lo mismo a escala microscópica en que su entrada parece un condensador. En lugar de desviar una bola, el voltaje modula la conductividad de un semiconductor:

Estructura MOSFET

El MOSFET funciona alterando la conductividad de un canal entre la fuente (S) y el drenaje (D) en función del voltaje entre la puerta (G) y el volumen (B). La compuerta está separada del resto del transistor generalmente por una capa delgada de dióxido de silicio (blanco en la imagen de arriba), un muy buen aislante, y como el dispositivo de diafragma anterior, cualquier fuga muy pequeña no es relevante para la operación del dispositivo. Luego podemos medir la conductividad del canal, y la corriente que fluye en este canal puede ser suministrada por una batería separada y no por el dispositivo bajo prueba. Por lo tanto, podemos medir un voltaje con una resistencia de entrada extremadamente alta (teóricamente infinita).

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Phil Frost
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Como un interesante experimento mental, imagine un dispositivo con dos placas metálicas móviles y un medidor de motor / fuerza que las acerque y aleje repetidamente. Tal dispositivo parecería extraer una corriente alterna, aunque ningún electrón pasaría de una placa a la otra ni pasaría de ninguna manera. Si se conecta a una fuente de voltaje "rígido", se podría medir el voltaje midiendo la fuerza requerida para mover las placas; Si no está conectado a una fuente de voltaje rígida, el movimiento de las placas podría cambiar el voltaje en ellas.
supercat
Muchas gracias por esta respuesta. La idea del diafragma de goma realmente los ayudará a visualizar lo que está sucediendo, ya que son mucho mejores con conceptos "físicos" como la presión. Con suerte, también les dará una idea de la capacitancia y la impedancia listas para sus estudios el próximo año. Gracias también por traer recuerdos polvorientos de la teoría de transistores de las conferencias en la universidad. ¡Parece que no odio la ingeniería eléctrica tanto como recuerdo!
William Tabary-Peterssen
Re "Modelo mental de condensador favorito de Bill Beaty", ¿sabe si ese modelo modela correctamente la característica de almacenamiento de energía de ½ (CV²) de un condensador?
James Waldby - jwpat7
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Tal vez me falta algo, pero en su ejemplo, la corriente continua tiene que fluir para sesgar el FET. ¿O fue tu primer párrafo simplemente retórico? ¿O realmente podemos derivar una forma de medir el voltaje sin flujo de electrones?
user6972
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@PhilFrost No hay diferencia porque no se puede medir temporalmente algo sin reducir la carga y, por lo tanto, introducir algo de resistencia finita.
user6972
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Es relativamente fácil hacer un voltímetro que tenga una corriente de entrada típica de unos pocos fA a temperatura ambiente. Eso sigue siendo decenas de miles de electrones por segundo.

Podría hacer un voltímetro (en teoría, de todos modos) que extraería una corriente de estado estable cero de la fuente (digamos) equilibrando las fuerzas electrostáticas a través de un espacio con fuerza magnética o mecánica. Si los aisladores no gotearon y el dispositivo estaba en el vacío, no hay ningún mecanismo para el flujo de corriente más allá de lo que se necesita para igualar el potencial en la hoja de medición con el voltaje desconocido.

Un MOSFET funciona casi como el mecanismo descrito anteriormente, ya que no se requiere un flujo inherente de electrones (hacia o desde la compuerta) para que funcione una vez que la compuerta se carga al voltaje de entrada. Cualquier fuga de compuerta es función de imperfecciones y de estructuras auxiliares como las redes de protección ESD. Una celda de memoria de "puerta flotante" pequeña y desprotegida podría perder un electrón por día, lo que está bastante cerca de ser perfecto. Si una compuerta de este tipo pudiera conectarse a su fuente sin comprometer la fuga (o romper el óxido delgado de la compuerta con demasiado voltaje) sería casi perfecta, excepto por esa pequeña fuga y la carga de la capacitancia de la compuerta.

Spehro Pefhany
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Un "electroscopio de pan de oro" es exactamente un voltímetro: su resistencia de entrada puede ser infinita sin afectar su funcionamiento (tiene una pequeña capacitancia, por lo que acepta una pequeña carga mientras opera)
Brian Drummond
@Brian Drummond: si el electroscopio de pan de oro es un voltímetro, ¿dónde está su segunda entrada? Tenía la impresión de que el GLE está midiendo un potencial absoluto en su entrada única, en lugar de la diferencia de potencial como lo hace el voltímetro (o MOSFET).
fgrieu
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@fgrieu una entrada es el electrodo en el electroscopio, y la otra entrada es el objeto cerca de él. Estos dos objetos forman un condensador, y el electroscopio mide la diferencia de potencial a través de este condensador.
Phil Frost
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Un voltímetro teórico, como encontraría en un programa de simulación de circuito, tendrá una resistencia infinita, pero cualquier voltímetro real tendrá una resistencia finita y, por lo tanto, permitirá que fluya algo de corriente.

Mi DVM tiene una impedancia de entrada de> 1 GOhm en el rango de CA o CC de 400 mV y 10 MegOhm en otros rangos.

Peter Bennett
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Sí, y solo para agregar a esta respuesta, puedes ver el efecto de carga de esta resistencia no ideal al tratar de medir el voltaje a través de una carga resistiva bastante alta. En tal caso, obtendrá lecturas de voltaje inexactas debido a que la resistencia interna está tan cerca de la resistencia de medición.
Jarrod Christman
De hecho, a menudo los multímetros (analógicos) tendrán la resistencia indicada en algún lugar del frente, con la intención de que cuando sepa que está trabajando con altas resistencias y requiera una alta precisión, pueda calcular la corrección requerida.
PeterG
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Nadie parece haber respondido a la pregunta fundamental de cómo funcionaría un voltímetro teóricamente perfecto. No puede Eventualmente se llega a la mecánica cuántica y a la Ley de Heisenberg que no se puede medir nada sin afectarlo en algún grado. En voltímetros, debe obtener un poco de carga para aumentar el potencial de equilibrio que está utilizando para mover su dispositivo indicador. Por supuesto, como ha señalado Sphero, todos los voltímetros prácticos están muy lejos del límite de Heisenberg.

Gary Scarr
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Esa es más o menos la idea de que este estudiante en particular estaba tratando de llegar (aunque probablemente no lo sabía en ese momento). Muchas gracias.
William Tabary-Peterssen
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Creo que, para responder a esta pregunta, una forma pedagógica sería preguntarles por qué creen que la resistencia infinita es un problema para medir el voltaje .

No hay una necesidad fundamental de que fluya una corriente para medir un voltaje ... Creo que la discusión sería interesante para que entiendan la electricidad y los sensores en general.

El voltímetro debe tener una alta resistencia interna para que no interfiera con el circuito. Creo que también se puede hablar de amperímetros: si están conectados en serie, deben tener una baja resistencia, pero hay algunos amperímetros que no necesitan ser parte del circuito eléctrico (basado en bobinas Rogowski, por ejemplo).

editar: Tal vez también podría usar alguna analogía con la presión / flujo de agua.

TZDZ
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Estoy de acuerdo en que hay algunos conceptos muy útiles que podrían extraerse de las preguntas que menciona en la parte superior de su publicación. Lo usaré para ver si genera alguna investigación independiente de su parte. Quién sabe, ¡incluso puede terminar leyendo esta publicación! Nuevamente muchas gracias por sus propuestas pedagógicas.
William Tabary-Peterssen
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Hay voltímetros electrostáticos que de hecho tienen una "corriente" de cero. Básicamente, funcionan haciendo que la fuerza electrostática mueva una aguja indicadora casi equilibrada desde su punto de equilibrio.

Ahora, mientras esos voltímetros no toman una corriente permanente distinta de cero , por supuesto, la carga aún debe crear un campo para causar un efecto y, por lo tanto, se almacena en el voltímetro que actúa como un condensador en lugar de una resistencia. Y si la aguja funciona contra la resistencia del aire, las cargas salen a un voltaje más bajo en promedio que cuando ingresaron al voltímetro, por lo que se realiza un trabajo a pesar de que no se consume corriente neta después de que el voltaje vuelve a caer a cero.

usuario59239
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La idea del trabajo realizado y, por lo tanto, la transferencia de energía es una forma excelente de apreciar la relación entre la diferencia de potencial y la carga. ¿Estoy suponiendo que habrá algo de energía transferida a lo que sea que la aguja esté equilibrada, en términos de un minuto entre el EPE en el material, causando que la fuerza de equilibrio se disipe como calor? ¿Habría alguna otra pérdida (macro) de escala en la que pueda pensar
William Tabary-Peterssen
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Los voltímetros diferenciales tienen teóricamente una resistencia de entrada infinita cuando se anulan. Miden el voltaje ajustando una fuente de voltaje interna para que coincida con el voltaje de entrada como lo indica una lectura cero en un medidor. En la práctica, la resistencia de entrada está limitada por los efectos de fuga pero, nuevamente en teoría, no se extrae corriente del voltaje medido.

Barry
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La corriente fluirá mientras ajusta la fuente de voltaje interna. Esto podría tener un impacto irreversible en el circuito medido.
Kitana
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Tiene razón sobre la diferencia entre una resistencia de entrada infinita teórica y un voltímetro práctico. Un buen voltímetro podría tener una resistencia de entrada del orden de decenas de megaohmios, al menos, pero no es infinito. Fluirá una pequeña corriente, y el amplificador de entrada en el voltímetro lo usará para realizar la medición.

Por supuesto, un medidor de bobina móvil de estilo antiguo extraerá una corriente de quizás 50 uA, o tanto como 1 mA en el caso de un medidor realmente barato.

John Honniball
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Como el infinito es un concepto teórico, podemos usar el razonamiento de estilo de cálculo para explicarlo. A medida que la resistencia del medidor se acerca al infinito, la corriente a través de él se aproxima a cero. Aunque nunca llegamos allí, nos "acercamos lo suficiente" para creerlo.

También vale la pena mencionar que puede haber otro tipo de voltímetro que no consume corriente. En experimentos de electricidad estática observamos dos objetos cargados que se repelen entre sí. Se separan solo de la fuerza de las cargas y no consumen ninguna corriente. Entonces, uno podría construir un voltímetro a partir de eso, al menos teóricamente.

gbarry
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Su explicación e idea son "correctas". "Real" (por oposición a teórico) voltímetros, no dibujar una cierta corriente para generar una "lectura". Al usar amplificadores (y / u otros métodos), uno puede acercarse al límite teórico de la impedancia de entrada infinita, pero nunca alcanzarlo. Entonces, todo lo que tiene que explicar a sus estudiantes es que tienen razón, sería imposible obtener una medición perfecta , sin afectar la cosa que se está midiendo. Sin embargo, si podemos aceptar una medición menos que perfecta, entonces es factible.

Guill
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