Ponte di Wheatstone

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Immagine reale di un vecchio ponte di Wheatstone

In elettrotecnica il ponte di Wheatstone è un dispositivo elettrico inventato da Samuel Hunter Christie e perfezionato da Charles Wheatstone per la misura precisa del valore di una resistenza elettrica.

Si compone di un generatore di tensione che alimenta due rami resistivi posti in parallelo: il primo è composto da un resistore campione in serie a una cassetta di resistori (resistenza variabile tramite opportune manopole) di elevata precisione; il secondo ramo è invece composto da un resistore campione in serie alla resistenza incognita. Si pone quindi un galvanometro a zero centrale, eventualmente protetto da uno shunt in parallelo, tra i due resistori del primo ramo e i due del secondo ramo. Alimentando quindi il circuito, si noterà che il galvanometro segnala il passaggio di una corrente elettrica. Si varia quindi il valore della cassetta di resistenze fino a quando il galvanometro non indica più il passaggio di una corrente. In questa situazione il valore di resistenza elettrica del resistore incognito è calcolabile con una semplice formula matematica.

Il galvanometro è uno strumento estremamente delicato e costoso che ha il pregio di essere estremamente sensibile, potendo rilevare correnti dell'ordine del μA. Lo si può sostituire con un voltmetro, sempre a zero centrale, purché quest'ultimo possa rilevare tensioni dell'ordine dei decimi di mV. La strumentazione deve essere a zero centrale in quanto uno strumento a scala semplice non può misurare valori negativi (corrente o tensione inverse rispetto alla polarità dello strumento) e, nel caso di uno squilibrio del ponte opposto rispetto ai poli dello strumento, si correrebbe il rischio di danneggiarlo irrimediabilmente.

La cassetta di resistori ed il resistore campione può essere sostituita da un potenziometro graduato.

Descrizione del funzionamento[modifica | modifica wikitesto]

Schema elettrico di un ponte di Wheatstone
Altro schema del ponte di Wheatstone

R1 e R3 sono resistori di valore fisso e noto, mentre il resistore R2 è variabile.

Se la relazione dei due resistori del lato conosciuto (R2/(R2+R1)) è uguale alla relazione delle altre due resistenze del lato non noto (Rx/(Rx+R3)), la differenza di potenziale elettrico tra i due punti intermedi sarà nulla e pertanto non circolerà nessuna corrente elettrica fra questi due punti.

Per effettuare la misura si fa variare il resistore R2 fino ad ottenere il punto di equilibrio, cioè fino a che il galvanometro misurerà passaggio di corrente nullo.

Il controllo della corrente nulla si può realizzare con gran precisione mediante il galvanometro G. In alternativa al galvanometro è possibile usare un amplificatore differenziale per strumentazione tipo INA217AIP.

La direzione della corrente, in condizione di non equilibrio, indica se R2 è troppo alta o troppo bassa.

Il valore della forza elettromotrice (E) del generatore è ininfluente per la determinazione del valore della misura.

Quando il ponte è costruito in modo che R1 è uguale a R3, Rx risulta uguale a R2 solamente in condizione di equilibrio.

Nello stesso modo, in condizione di equilibrio, è sempre vero che:

 R_x = \frac {R_2 \times R_3} {R_1} .

Se i valori delle resistenze R1, R2 e R3 si conoscono con molta precisione, il valore di Rx può essere determinato con simile precisione. Piccoli cambi nel valore di Rx romperanno l'equilibrio e saranno chiaramente identificati dall'indicazione del galvanometro.

In modo alternativo, se i valori di R1, R2 e R3 sono noti e R2 non è variabile, la corrente elettrica che passa attraverso il galvanometro può essere utilizzata per calcolare il valore di Rx essendo questo procedimento più rapido che quello di portare a zero la corrente elettrica attraverso lo strumento di misura.

Se R1 e R2 vengono sostituite con un potenziometro a filo avvolto (con contatto strisciante), il ponte viene detto ponte a filo.

Ponte universale[modifica | modifica wikitesto]

Con lo stesso principio (azzeramento della corrente in un galvanometro) funziona anche il ponte universale, che, oltre alla resistenza, misura anche la capacità C e l'induttanza (nello specifico misurabile con il Ponte di Maxwell) L dei componenti, i ponti moderni a microprocessore sono in grado di fornire anche la misura del fattore di merito (Q), di un'induttanza, e ovviamente, come tutti gli strumenti di misura elettronici di classe elevata, anche il ponte universale, tramite bus IEEE-488 può essere inserito in un sistema automatico di misura gestito da computer.

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