Elektrometr - Electrometer
Elektrometru jest elektryczny przyrząd do pomiaru ładunku elektrycznego lub elektrycznego różnicę potencjałów . Istnieje wiele różnych typów, od historycznych ręcznie robionych instrumentów mechanicznych po precyzyjne urządzenia elektroniczne. Nowoczesne elektrometry oparte na technologii lampowej lub półprzewodnikowej mogą służyć do wykonywania pomiarów napięcia i ładunku przy bardzo niskich prądach upływu, do 1 femtoampera . Prostszy, ale powiązany instrument, elektroskop , działa na podobnych zasadach, ale wskazuje tylko względne wielkości napięć lub ładunków.
Elektrometry historyczne
Elektroskop ze złotymi listkami
Elektroskop ze złotymi listkami był jednym z instrumentów służących do wskazywania ładunku elektrycznego. Jest nadal używany do demonstracji naukowych, ale w większości zastosowań został zastąpiony przez elektroniczne przyrządy pomiarowe. Instrument składa się z dwóch cienkich płatków złotej folii zawieszonych na elektrodzie . Kiedy elektroda jest ładowana przez indukcję lub kontakt, liście uzyskują podobne ładunki elektryczne i odpychają się nawzajem dzięki sile Coulomba . Ich oddzielenie jest bezpośrednim wskazaniem przechowywanego na nich ładunku netto. Na szybę naprzeciwko liści można nakleić kawałki folii aluminiowej, aby po całkowitym rozejściu liści mogły wypaść do ziemi. Liście mogą być zamknięte w szklanej kopercie, aby chronić je przed przeciągami, a kopertę można opróżnić, aby zminimalizować wyciek ładunku. Kolejną przyczyną wycieku ładunku jest promieniowanie jonizujące , więc aby temu zapobiec, elektrometr musi być otoczony ekranowaniem ołowianym . Ta zasada została wykorzystana do wykrywania promieniowania jonizującego, jak widać w elektrometrze kwarcowym i mierniku opadu Kearny'ego .
Ten typ elektroskopu zwykle działa jako wskaźnik, a nie urządzenie pomiarowe, chociaż można go skalibrować. Kalibrowany elektrometr z bardziej wytrzymałym aluminiowym wskaźnikiem został wynaleziony przez Ferdinanda Brauna i po raz pierwszy opisany w 1887 roku. Według Brauna standardowy elektrometr ze złotymi listkami jest dobry do około 800 V z rozdzielczością 0,1 V przy użyciu mikrometru okularowego . Dla większych napięć do 4–6 kV przyrząd Brauna może osiągnąć rozdzielczość 10 V .
Instrument został opracowany w XVIII wieku przez kilku badaczy, m.in. Abrahama Benneta (1787) i Alessandro Voltę .
Wczesny kwadrant elektrometru
Chociaż termin „elektrometr kwadrantowy” ostatecznie odnosił się do wersji Kelvina, termin ten został po raz pierwszy użyty do opisania prostszego urządzenia. Składa się z pionowego pnia z drewna, do którego przymocowane jest półkole z kości słoniowej. Od środka na osi wisi lekka kulka z korka. Gdy instrument jest umieszczony na naładowanym ciele, trzonek uczestniczy i odpycha kulkę korkową. Wielkość odpychania można odczytać z półokręgu z podziałką, chociaż zmierzony kąt nie jest wprost proporcjonalny do szarży. Wcześni wynalazcy to William Henley (1770) i Horace-Bénédict de Saussure .
Elektrometr Coulomba
Skręcanie jest używane, aby dać pomiar bardziej czuły niż odpychanie złotych liści lub kulek z korka. Składa się ze szklanego cylindra ze szklaną rurką na górze. W osiach tuby znajduje się szklana nitka, której dolny koniec zawiera sztabkę gumy lakowej z pozłacaną kulką na każdym końcu. Przez inny otwór na cylindrze można wprowadzić kolejny pręt z gumy lac z pozłacanymi kulkami. Nazywa się to prętem nośnym.
Jeśli dolna kulka pręta nośnego zostanie naładowana, gdy zostanie wprowadzona do otworu, odepchnie to jedną z ruchomych kulek wewnątrz. Indeks i skala (nie pokazano) są przymocowane do górnej części skręcanego szklanego pręta. Liczba stopni skręconych w celu ponownego połączenia kulek jest dokładnie proporcjonalna do ilości ładunku kulki pręta nośnego.
Francis Ronalds , inauguracyjny dyrektor Obserwatorium Kew , dokonał ważnych ulepszeń w balansie skrętnym Coulomba około 1844 roku, a zmodyfikowany instrument został sprzedany przez londyńskich producentów instrumentów. Ronalds użył cienkiej zawieszonej igły zamiast gumowego paska i zastąpił pręt nośny stałym elementem w płaszczyźnie igły. Obydwa były metalowe, podobnie jak lina podwieszająca i otaczająca ją rura, dzięki czemu igłę i nieruchomy element można było ładować bezpośrednio przez połączenia przewodowe. Ronalds użył również klatki Faradaya i wypróbował fotografię, aby stale rejestrować odczyty. Był to poprzednik kwadrantowego elektrometru Kelvina (opisanego poniżej).
Elektrometr Peltiera
Opracowany przez Peltiera , wykorzystuje formę kompasu magnetycznego do pomiaru ugięcia poprzez zrównoważenie siły elektrostatycznej za pomocą igły magnetycznej.
Elektrometr Bohnenbergera
Elektrometr Bohnenberger, opracowany przez JGF von Bohnenberger na podstawie wynalazku TGB Behrens, składa się z pojedynczego płatka złota zawieszonego pionowo pomiędzy anodą i katodą suchego stosu . Każdy ładunek przekazany złotemu płatkowi powoduje jego ruch w kierunku jednego lub drugiego bieguna; w ten sposób można zmierzyć znak ładunku, jak również jego przybliżoną wielkość.
Elektrometr przyciągania
Znane również jako „elektrometry z przyciąganym dyskiem”, elektrometry przyciągania to czułe wagi mierzące przyciąganie między naładowanymi dyskami. William Snow Harris przypisuje się wynalezienie tego instrumentu, który został dodatkowo ulepszony przez Lorda Kelvina .
Elektrometr kwadrantowy Kelvina
Opracowany przez Lorda Kelvina , jest to najbardziej czuły i dokładny ze wszystkich mechanicznych elektrometrów. Oryginalna konstrukcja wykorzystuje lekki aluminiowy sektor zawieszony wewnątrz bębna pociętego na cztery segmenty. Segmenty są izolowane i łączone parami po przekątnej. Naładowany sektor aluminium jest przyciągany do jednej pary segmentów i odpychany od drugiej. Odchylenie jest obserwowane przez wiązkę światła odbitą od małego lusterka przymocowanego do sektora, podobnie jak w galwanometrze . Rycina po prawej pokazuje nieco inną formę tego elektrometru, wykorzystującą cztery płaskie płytki zamiast zamkniętych segmentów. Płyty można łączyć zewnętrznie w konwencjonalny sposób ukośny (jak pokazano) lub w innej kolejności dla określonych zastosowań.
Bardziej czułą formę elektrometru kwadrantowego opracował Frederick Lindemann . Wykorzystuje włókno kwarcowe pokryte metalem zamiast sektora aluminiowego. Odchylenie mierzy się obserwując ruch włókna pod mikroskopem. Początkowo używany do pomiaru światła gwiazd, był używany do wykrywania samolotów w podczerwieni we wczesnych fazach II wojny światowej .
Niektóre elektrometry mechaniczne były umieszczone w klatce często nazywanej „klatką dla ptaków”. Jest to forma klatki Faradaya, która chroni instrument przed zewnętrznymi ładunkami elektrostatycznymi.
Elektrograf
Odczyty energii elektrycznej mogą być rejestrowane w sposób ciągły za pomocą urządzenia zwanego elektrografem. Francis Ronalds stworzył wczesny elektrograf około 1814 roku, w którym zmieniająca się elektryczność tworzyła wzór na obracającej się płycie pokrytej żywicą . Został on zatrudniony w Obserwatorium Kew i Królewskim Obserwatorium w Greenwich w latach 40. XIX wieku do tworzenia zapisów zmian elektryczności atmosferycznej . W 1845 r. Ronalds wynalazł fotograficzny sposób rejestracji elektryczności atmosferycznej. Światłoczuły powierzchnia została wciągnięta powoli przeszłość membrany przysłony okna kamery, który również mieści elektrometru, a schwytany trwające ruchy indeksów elektrometrem jako ślad. Kelvin użył podobnych środków fotograficznych w swoim kwadrantowym elektrometrze (patrz wyżej) w latach 60. XIX wieku.
Nowoczesne elektrometry
Nowoczesny elektrometr jest bardzo czułym woltomierzem elektronicznym, którego impedancja wejściowa jest tak wysoka, że płynący do niego prąd można uznać, dla większości celów praktycznych, za zero. Rzeczywista wartość rezystancji wejściowej dla nowoczesnych elektrometrów elektronicznych wynosi około 10 14 Ω, w porównaniu do około 10 10 Ω dla nanowoltomierzy. Ze względu na wyjątkowo wysoką impedancję wejściową, należy uwzględnić specjalne względy projektowe (takie jak napędzane ekrany i specjalne materiały izolacyjne), aby uniknąć prądu upływowego.
Elektrometry wykorzystywane są między innymi w eksperymentach fizyki jądrowej, ponieważ są w stanie zmierzyć maleńkie ładunki pozostawione w materii w wyniku przejścia promieniowania jonizującego . Najczęstszym zastosowaniem nowoczesnych elektrometrów jest pomiar promieniowania komorami jonizacyjnymi, w przyrządach takich jak liczniki Geigera .
Wibracyjne elektrometry trzcinowe
Elektrometry trzcinowe wibracyjne wykorzystują kondensator zmienny utworzony pomiędzy elektrodą ruchomą (w postaci trzciny wibracyjnej) a nieruchomą elektrodą wejściową. Ponieważ odległość między dwiema elektrodami zmienia się, zmienia się również pojemność i ładunek elektryczny jest wtłaczany i wypychany z kondensatora. Prąd zmienny sygnał wytwarzany przez przepływ tej opłaty jest wzmacniany i stosowany jako analogiczne do stałym napięciem kondensatora. Rezystancja wejściowa prądu stałego elektrometru jest określana wyłącznie przez rezystancję upływu kondensatora i zazwyczaj jest bardzo wysoka (chociaż impedancja wejściowa prądu zmiennego jest niższa).
Dla wygody użytkowania zespół wibracyjny trzcinowy jest często przymocowany kablem do reszty elektrometru. Pozwala to na umieszczenie stosunkowo małej jednostki w pobliżu mierzonego ładunku, podczas gdy znacznie większy zespół przetwornika trzciny i wzmacniacza można umieścić tam, gdzie jest to wygodne dla operatora.
Elektrometry zaworowe
Elektrometry zaworowe wykorzystują specjalistyczną rurkę próżniową (zawór termionowy) o bardzo dużym wzmocnieniu ( transkonduktancja ) i rezystancji wejściowej. Prąd wejściowy może płynąć do siatki o wysokiej impedancji, a generowane w ten sposób napięcie jest znacznie wzmacniane w obwodzie anody ( płytki ). Zawory przeznaczone do stosowania elektrometru mają prądy upływowe tak niskich jak kilka femtoamperes (10 -15 w amperach). Takie zawory muszą być obsługiwane w rękawiczkach, ponieważ sole pozostawione na szklanej powłoce mogą zapewnić ścieżki upływu dla tych maleńkich prądów.
W wyspecjalizowanym obwodzie zwanym odwróconą triodą role anody i siatki są odwrócone. To umieszcza elektrodę kontrolną w maksymalnej odległości od obszaru ładunku kosmicznego otaczającego włókno, minimalizując liczbę elektronów zebranych przez elektrodę kontrolną, a tym samym minimalizując prąd wejściowy.
Elektrometry półprzewodnikowe
Najnowocześniejsze elektrometry składają się stałym wzmacniacz z zastosowaniem jednej lub więcej tranzystorów polowych , połączenia z zewnętrznych urządzeń pomiarowych, a zwykle w wyświetlacz i / lub połączenia danych logowania. Wzmacniacz wzmacnia małe prądy, dzięki czemu łatwiej je zmierzyć. Połączenia zewnętrzne mają zwykle konstrukcję współosiową lub trójosiową i umożliwiają podłączenie diod lub komór jonizacyjnych do pomiaru promieniowania jonizującego . Wyświetlacz lub połączenia rejestrujące dane pozwalają użytkownikowi zobaczyć dane lub zapisać je do późniejszej analizy. Elektrometry przeznaczone do użytku z komorami jonizacyjnymi mogą zawierać zasilacz wysokiego napięcia, który służy do polaryzacji komory jonizacyjnej.
Elektrometry półprzewodnikowe są często urządzeniami wielofunkcyjnymi, które mogą mierzyć napięcie, ładunek, rezystancję i prąd. Mierzą napięcie za pomocą „równoważenia napięcia”, w którym napięcie wejściowe jest porównywane z wewnętrznym źródłem napięcia odniesienia za pomocą układu elektronicznego o bardzo wysokiej impedancji wejściowej (rzędu 10 14 Ω). Podobny obwód zmodyfikowany tak, aby działał jako konwerter prądu na napięcie, umożliwia przyrządowi pomiar prądów tak małych, jak kilka femtoamperów. W połączeniu z wewnętrznym źródłem napięcia, tryb pomiaru prądu może być przystosowany do pomiaru bardzo dużych rezystancji , rzędu 10 17 Ω. Wreszcie, obliczając na podstawie znanej pojemności zacisku wejściowego elektrometru, przyrząd może mierzyć bardzo małe ładunki elektryczne , aż do ułamka pikokulomba.
Zobacz też
Bibliografia
- dr J. Frick, technika fizyczna; Lub praktyczne instrukcje wykonywania eksperymentów w fizyce przetłumaczone przez dr Johna D. Easter. - JB Lippincott & Co., Filadelfia 1862
- dr Robert Mfurgeson Elektryczność – William i Robert Chambers, Londyn i Edynburg 1866
- Silvanus P. Thompson, Podstawowe lekcje elektryczności i magnetyzmu . - Macmillan and Co. Limited, Londyn 1905
- Jones, RV, instrumenty i doświadczenia - John Wiley and Sons, Londyn 1988
Zewnętrzne linki
- Zbuduj ten elektrometr FET - bardzo prosty obwód - 2 komponenty
- Prosty elektrometr FET - Prosty obwód mostkowy
- Elektrometr op-amp
- Wczesne elektrometry
- Ładowanie elektroskopu przez indukcję za pomocą ujemnie naładowanego balonu firmy Multimedia Physics Studios