Wheatstone-bro

Wheatstone-bro er et klassisk instrument for å måle elektrisk motstand med stor presisjon. Broen er koblet til en spenningskilde og består av fire motstander montert sammen i to grener som er forbundet med et galvanometer. Når ingen strøm gjennom dette, er én av motstandene gitt ved de tre andre. Metoden ble oppfunnet av briten Samuel Hunter Christie i 1833, men fikk sitt navn knyttet til Charles Wheatstone. Han innså dens betydning i 1843 og gjorde bruken kjent. Dette instrumentet fikk stor betydning i årene som fulgte, både som et praktisk apparat ved elektriske installasjoner, men også som et presisjonsinstrument i laboratoriet. S. Ekelöf, The Genesis of the Wheatstone Bridge, Engineering Science and Education Journal, February (2001).

Virkemåte

Wheatstone-broen kan beskrives som to spenningsdelere som er koblet i parallell. Spenningen mellom de to grenene kan avleses på et galvanometer og kan beregnes ut fra verdiene til motstandene R1 og R2 i den ene grenen samt  motstandene R3 og R4 i den andre grenen. Spenningen mellom midtpunktene i de to grenene kan avleses på et galvanometer. Den forandres ved å variere én eller flere av motstandene. 
I det spesielle tilfellet at spenningen blir null, sies broen å være i balanse. Motstandene vil da oppfylle likheten



Denne formelen ligger til grunn for Wheatstone-broens virkemåte. Den gjelder når det ikke går strøm gjennom galvanometret. Strømmen i1 som går gjennom R1 er da den samme som går gjennom R2. Samtidig må spenningen i punkt B i tegningen være den samme som i D. Det betyr at



Ved divisjon av disse to uttrykkene forsvinner de ukjente strømmene. Man står igjen med ligningen som kan benyttes måling av en ukjent motstand. O. Øgrim, H. Ormestad og K. Lunde, Rom, Stoff, Tid: Fysikk for Gymnaset, Bind 3, J.W. Cappelens Forlag, Oslo (1972).

Når for eksempel R1 og R3 har kjente verdier, kan man nå bestemme verdien til en motstand Rx som er plassert i broen på plassen til R4. Ved å variere R2 til galvanometret viser null utslag, kan denne ukjente verdien beregnes fra formelen forutsatt at også den aktuelle verdien til R2 kan finnes.

Bruk av potensiometer


Den ene grenen av Wheatstone-broen kan bestå av et potensiometer med slepekontakt som figuren til venstre viser. Da motstandene R1 og R2 i hver del er proporsjonal med de tilsvarende lengdene a og b, vil man ha



Ved å flytte slepekontakten slik at tappepunktet i skyvepotensiometret forandres, vil lengdene forandres og derfor også dette forholdet mellom motstandene. Når broen er i balanse og galvanometeret viser null strøm, vil den generelle formelen gi



hvor den tredje motstanden her betegnes som Rv . Den anses som kjent. Ved å direkte avlese lengdene a og b på potensiometret kan dermed den ukjente motstanden Rx finnes. J.A. Fleming, Wheatstone's Bridge, 11th ed, Encyclopedia Britannica, England (1911).

Hvis den ukjente motstanden er veldig stor eller veldig liten, kan den likevel måles med det samme potensiometret under forutsetning at man har tilgjengelig tilsvarende større eller mindre utgaver av referansemotstanden Rv  som inngår i broen. Presisjonen til målingen er hovedsakelig gitt av nøyaktigheten til denne og av potensiometertrådens jevnhet.

Videre utvikling

I den opprinnelige broen ble det brukt faste motstander som ble byttet ut inntil broen var i eller nær balanse. Den mer praktiske fremgangsmåte med skyvepotensiometer kan føres tilbake til Gustav Kirchhoff og hans lover for elektriske kretser. Det kom etter hvert også andre mekaniske utførelser av potensiometret samt pluggsystemer for endring av referansemotstandens verdi. Utvidete koplinger ble tatt i bruk for å måle svært lave motstandsverdier presist.

Målemetoden med en bro kan virke gammeldags, men den er enda ikke gått ut av bruk. Broen brukes når ytterst presise målinger er nødvendige og inni spesialiserte sensorkretser.

Wheatstone-broen blir også brukt til å måle impedanser og reaktanser. Da brukes en vekselspenning som strømkilde og et måleinstrument for vekselstrøm  i stedet for et galvanometer. Frekvensen kan varieres og balansering og beregninger blir noe mer kompliserte.

 Se også 
 Motstand (resistans)

Referanser

 Eksterne lenker 
 YouTube, The Wheatstone Bridge, What It Does, and Why It Matters, mer generell beskrivelse
 YouTube, Wheatstone Bridge: A (Not So) Honorable History, historisk bakgrunn

Kategori:Elektriske kretser
Kategori:Elektriske måleinstrumenter