Электрометр

Электрометр — прибор электрический для измерения электрического заряда или разности электрических потенциалов . ^[1]Существует множество различных типов: от исторических механических инструментов ручной работы до высокоточных электронных устройств. Современные электрометры, основанные на вакуумной ламповой или полупроводниковой технологии, можно использовать для измерения напряжения и заряда с очень низкими токами утечки, до 1 фемтоампера . Более простой, но родственный прибор, электроскоп , работает по тем же принципам, но показывает только относительные величины напряжений или зарядов.

Исторические электрометры

Электроскоп с сусальным золотом [ править ]

Электроскоп с сусальным золотом был одним из инструментов, используемых для определения электрического заряда. ^[1]Он до сих пор используется для научных демонстраций, но в большинстве случаев его заменили электронные измерительные приборы. Прибор состоит из двух тонких листов золотой фольги, подвешенных к электроду . Когда электрод заряжается индукцией или контактом, листья приобретают одинаковые электрические заряды и отталкиваются друг от друга за счет силы Кулона . Их разделение является прямым показателем накопленного на них суммарного заряда. На стекло напротив листьев можно наклеить кусочки фольги, чтобы при полном расхождении листьев они могли сбрасываться в землю. Листья могут быть заключены в стеклянную оболочку, чтобы защитить их от сквозняков, а оболочку можно вакуумировать , чтобы минимизировать утечку заряда. Еще одной причиной утечки заряда является ионизирующее излучение , поэтому, чтобы предотвратить это, электрометр должен быть окружен свинцовой защитой. ^{[ нужна цитата ]} Этот принцип использовался для обнаружения ионизирующего излучения, как это видно в кварцевом волоконном электрометре и измерителе осадков Кирни .

Этот тип электроскопа обычно действует как индикатор, а не измерительный прибор, хотя его можно калибровать. Калиброванный электрометр с более прочным алюминиевым индикатором был изобретен Фердинандом Брауном и впервые описан в 1887 году. По словам Брауна, стандартный электрометр с сусальным золотом работает до напряжения примерно до 800 В с разрешением 0,1 В при использовании окулярного микрометра . Для более высоких напряжений до 4–6 кВ прибор Брауна может достигать разрешения 10 В. ^[2]^[3]

Инструмент был разработан в 18 веке несколькими исследователями, в том числе Авраамом Беннетом (1787 г.). ^[4] и Алессандро Вольта .

квадрантный Ранний электрометр

Хотя термин «квадрантный электрометр» в конечном итоге относился к версии Кельвина, этот термин впервые использовался для описания более простого устройства. ^[5]Он состоит из вертикального деревянного стержня, к которому прикреплен полукруг из слоновой кости. Из центра на стержне свисает легкий пробковый шар. Когда инструмент помещается на заряженное тело, стержень участвует и отталкивает пробковый шарик. Величину отталкивания можно определить по градуированному полукругу, хотя измеренный угол не находится в прямой зависимости от заряда. Среди первых изобретателей были Уильям Хенли (1770) и Гораций-Бенедикт де Соссюр . ^[4]

Электрометр Кулона [ править ]

Кручение используется для обеспечения более чувствительных измерений, чем отталкивание золотых листьев или пробковых шариков. Он представляет собой стеклянный цилиндр со стеклянной трубкой сверху. В осях трубки имеется стеклянная нить, нижний конец которой удерживает брусок жевательного лака с позолоченным пробковым шариком на каждом конце. Через другое отверстие в цилиндре можно ввести еще один стержень из жевательной резинки с позолоченными шариками. Это называется несущей штангой.

Если нижний шар несущего стержня заряжается при вводе его в отверстие, это оттолкнет один из подвижных шариков внутри. Индекс и шкала (не изображены) прикреплены к верхней части поворотного стеклянного стержня. Количество градусов, на которое нужно повернуть шарики вместе, точно пропорционально величине заряда шарика несущего стержня.

Фрэнсис Рональдс , первый директор обсерватории Кью , внес важные улучшения в кулоновские крутильные весы примерно в 1844 году, и модифицированный инструмент был продан лондонскими производителями инструментов. ^[6]Рональдс использовал тонкую подвесную иглу вместо планки лака для десен и заменил несущий стержень неподвижной деталью в плоскости иглы. Оба были металлическими, как и подвесная линия и окружающая ее трубка, так что иглу и фиксированную часть можно было заряжать непосредственно через проводные соединения. Рональдс также использовал клетку Фарадея и опробовал фотографию для непрерывной записи показаний. Это был предшественник квадрантного электрометра Кельвина (описанного ниже).

Электрометр Пельтье [ править ]

Разработанный Пельтье , он использует форму магнитного компаса для измерения отклонения путем уравновешивания электростатической силы с помощью магнитной стрелки.

Электрометр Боненбергера [ править ]

Электрометр Боненбергера, разработанный ЙГФ фон Боненбергером на основе изобретения ТГБ Беренса, ^[1]состоит из одного листа золота, подвешенного вертикально между анодом и катодом сухой стопки . Любой заряд, переданный сусальному золоту, заставляет его двигаться к тому или иному полюсу; таким образом, можно определить знак заряда, а также его приблизительную величину. ^[7]

Электрометр притяжения [ править ]

Также известный как «притянутые дисковые электрометры». ^[1]Электрометры притяжения представляют собой чувствительные весы, измеряющие притяжение между заряженными дисками. Уильяму Сноу Харрису приписывают изобретение этого инструмента, который в дальнейшем был усовершенствован лордом Кельвином .

Квадрантный электрометр Кельвина [ править ]

Разработанный лордом Кельвином , это самый чувствительный и точный из всех механических электрометров. В оригинальной конструкции используется легкий алюминиевый сектор, подвешенный внутри барабана, разрезанного на четыре сегмента. Сегменты изолированы и соединены попарно по диагонали. Заряженный алюминиевый сектор притягивается к одной паре сегментов и отталкивается от другой. Отклонение наблюдается по лучу света, отраженному от небольшого зеркала, прикрепленного к сектору, как в гальванометре . Гравюра справа показывает несколько иную форму этого электрометра, в которой вместо закрытых сегментов используются четыре плоские пластины. Пластины могут быть соединены снаружи обычным диагональным способом (как показано) или в другом порядке для конкретных применений.

Более чувствительная форма квадрантного электрометра была разработана Фредериком Линдеманом . Вместо алюминиевого сектора в нем используется кварцевое волокно с металлическим покрытием. Отклонение измеряется путем наблюдения за движением волокна под микроскопом. Первоначально использовался для измерения света звезд. ^{[ нужна цитата ]} он использовался для инфракрасного обнаружения ^{[ нужна цитата ]} самолетов на ранних этапах Второй мировой войны .

Некоторые механические электрометры размещались внутри клетки, которую часто называют «птичьей клеткой». Это разновидность клетки Фарадея , защищающая прибор от внешних электростатических зарядов.

Электрограф [ править ]

Показания электричества можно непрерывно записывать с помощью устройства, известного как электрограф. Примерно в 1814 году Фрэнсис Рональдс создал ранний электрограф, в котором изменяющееся электричество создавало узор на вращающейся пластине, покрытой смолой . Он использовался в обсерватории Кью и Королевской обсерватории в Гринвиче в 1840-х годах для регистрации изменений атмосферного электричества . ^[6]В 1845 году Рональдс изобрел фотографические средства регистрации атмосферного электричества. Светочувствительная поверхность медленно проходила мимо апертурной диафрагмы камеры, в которой также находился электрометр, и фиксировала текущие движения индексов электрометра в виде следа. ^[8] Кельвин использовал аналогичные фотографические средства для своего квадрантного электрометра (см. Выше) в 1860-х годах.

Современные электрометры [ править ]

Современный электрометр представляет собой высокочувствительный электронный вольтметр которого , входное сопротивление настолько велико, что ток, протекающий в него, для большинства практических целей можно считать равным нулю. Фактическое значение входного сопротивления современных электронных электрометров составляет около 10 ¹⁴Ом, по сравнению с примерно 10 ¹⁰Ом для нановольтметров. ^[9] специальные конструктивные решения (например, активные экраны Из-за чрезвычайно высокого входного импеданса во избежание тока утечки необходимо применять и специальные изоляционные материалы).

Помимо прочего, электрометры используются в экспериментах по ядерной физике , поскольку они способны измерять крошечные заряды, оставшиеся в веществе в результате прохождения ионизирующего излучения . Наиболее распространенным применением современных электрометров является измерение радиации с помощью ионизационных камер в таких приборах, как счетчики Гейгера . ^{[ нужна цитата ]}

Вибрационные электрометры герконовые

В электрометрах с вибрирующим герконом используется переменный конденсатор , образованный между подвижным электродом (в виде вибрирующего язычка) и неподвижным входным электродом. Поскольку расстояние между двумя электродами меняется, емкость также меняется, и электрический заряд проникает в конденсатор и выходит из него. Сигнал переменного тока , создаваемый потоком этого заряда, усиливается и используется как аналог постоянного напряжения, приложенного к конденсатору. Входное сопротивление электрометра по постоянному току определяется исключительно сопротивлением утечки конденсатора и обычно чрезвычайно велико (хотя его входное сопротивление переменному току ниже).

Для удобства использования вибрирующий геркон часто прикрепляется кабелем к остальной части электрометра. Это позволяет разместить относительно небольшой блок рядом с измеряемым зарядом, в то время как гораздо более крупный блок геркона и усилителя может быть расположен там, где это удобно для оператора. ^[10]

Клапанные электрометры [ править ]

В клапанных электрометрах используется специализированная вакуумная лампа (термионный клапан) с очень высоким коэффициентом усиления ( крутизна ) и входным сопротивлением. Входной ток может течь в сетку с высоким импедансом, и генерируемое таким образом напряжение значительно усиливается в цепи анода ( обкладки ). Клапаны, предназначенные для использования с электрометрами, имеют токи утечки всего в несколько фемтоампер (10 ⁻¹⁵амперы). С такими клапанами следует обращаться в перчатках, поскольку соли, оставшиеся на стеклянной колбе, могут стать путями утечки этих крошечных токов. ^[11]

В специализированной схеме, называемой инвертированным триодом , роли анода и сетки меняются местами. Это помещает управляющий электрод на максимальное расстояние от области пространственного заряда, окружающей нить, сводя к минимуму количество электронов, собираемых управляющим электродом, и, таким образом, минимизируя входной ток. ^[12]

Твердотельные электрометры [ править ]

Самые современные электрометры состоят из полупроводникового усилителя с использованием одного или нескольких полевых транзисторов , соединений для внешних измерительных устройств и, как правило, соединений дисплея и/или регистрации данных. Усилитель усиливает малые токи, чтобы их было легче измерить. Внешние соединения обычно имеют коаксиальную или трехосную конструкцию и позволяют подключать диоды или ионизационные камеры для измерения ионизирующего излучения . Соединения дисплея или регистрации данных позволяют пользователю видеть данные или записывать их для последующего анализа. Электрометры, предназначенные для использования с ионизационными камерами, могут включать в себя источник питания высокого напряжения, который используется для смещения ионизационной камеры.

Твердотельные электрометры часто представляют собой многофункциональные устройства, которые могут измерять напряжение, заряд, сопротивление и ток. Они измеряют напряжение посредством «балансировки напряжения», при котором входное напряжение сравнивается с внутренним источником опорного напряжения с помощью электронной схемы с очень высоким входным сопротивлением (порядка 10 ¹⁴Ом). Подобная схема, модифицированная для работы в качестве преобразователя тока в напряжение, позволяет прибору измерять токи величиной до нескольких фемтоампер. В сочетании с внутренним источником напряжения режим измерения тока можно адаптировать для измерения очень высоких сопротивлений , порядка 10. ¹⁷Ом. Наконец, путем расчета на основе известной емкости входной клеммы электрометра прибор может измерять очень малые электрические заряды , вплоть до небольшой доли пикокулона.

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Флеминг, Джон Амброуз (1911). «Электрометр» . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . Том. 9 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 234–237.
^ Фердинанд Браун, «Об электрическом поведении каменной соли» , Annals of Physics , vol. 31, стр. 855–872, 1887.
^ "Электроскоп Braun (начало 1900-х годов)" , Музей радиации и радиологии ORAU, получено 20 сентября 2021 года.
^ Перейти обратно: ^а ^б Бэйгри, Брайан (2007). Электричество и магнетизм: историческая перспектива . Вестпорт, Коннектикут: Greenwood Press. п. 33.
^ Дрейпер, Джон Уильям (1861). Учебник по химии . Нью-Йорк: Харпер и сыновья. п. 119 . Учебник по химии Джона Уильяма Дрейпера.
^ Перейти обратно: ^а ^б Рональдс, БФ (2016). Сэр Фрэнсис Рональдс: отец электрического телеграфа . Лондон: Издательство Имперского колледжа. ISBN 978-1-78326-917-4 .
^ Джон Энджелл (1877). Элементы магнетизма и электричества: с практическими инструкциями по проведению опытов и постройке дешевых приборов . У. Коллинз, Sons, & Co., стр. 169– . Проверено 26 мая 2013 г.
^ Рональдс, БФ (2016). «Начало непрерывной научной записи с использованием фотографии: вклад сэра Фрэнсиса Рональда» . Европейское общество истории фотографии . Проверено 2 июня 2016 г.
^ Кейтли, Прецизионные измерения малых токов и высоких сопротивлений, брошюра «Большая мера уверенности», 2011 г., стр. 8
^ Спецификация вибрационного конденсатора XL7900.
^ «Технические данные пентода электрометра CK5889» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 20 сентября 2016 г. Проверено 29 августа 2016 г.
^ Инвертированный триод для промышленных измерений, Руководство по электронике промышленных цепей . Электроника . Декабрь 1944 г. с. 176.

доктор Дж. Фрик, Физическая техника; Или практические инструкции по проведению экспериментов по физике, переведенные Джоном Д. Истером, доктором философии. - Дж. Б. Липпинкотт и компания, Филадельфия, 1862 г.
Роберт Мфургесон, доктор философии. Электричество - Уильям и Роберт Чемберсы, Лондон и Эдинбург, 1866 г.
Сильванус П. Томпсон, Элементарные уроки электричества и магнетизма . - Macmillan and Co. Limited, Лондон, 1905 г.
Джонс, Р.В., Инструменты и опыт - Джон Уайли и сыновья, Лондон, 1988 г.

Внешние ссылки [ править ]

Соберите этот электрометр на полевых транзисторах . Очень простая схема. 2 компонента.
Простой электрометр на полевых транзисторах . Простая мостовая схема.
Электрометр на операционном усилителе
Ранние электрометры
Зарядка электроскопа путем индукции с использованием отрицательно заряженного воздушного шара из студии мультимедийной физики

[EB1911-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Флеминг, Джон Амброуз (1911). «Электрометр» . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . Том. 9 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 234–237.

[2] Фердинанд Браун, «Об электрическом поведении каменной соли» , Annals of Physics , vol. 31, стр. 855–872, 1887.

[3] "Электроскоп Braun (начало 1900-х годов)" , Музей радиации и радиологии ORAU, получено 20 сентября 2021 года.

[Baigrie-4] Перейти обратно: ^а ^б Бэйгри, Брайан (2007). Электричество и магнетизм: историческая перспектива . Вестпорт, Коннектикут: Greenwood Press. п. 33.

[5] Дрейпер, Джон Уильям (1861). Учебник по химии . Нью-Йорк: Харпер и сыновья. п. 119 . Учебник по химии Джона Уильяма Дрейпера.

[Ronalds_2016-6] Перейти обратно: ^а ^б Рональдс, БФ (2016). Сэр Фрэнсис Рональдс: отец электрического телеграфа . Лондон: Издательство Имперского колледжа. ISBN 978-1-78326-917-4 .

[Angell1877-7] Джон Энджелл (1877). Элементы магнетизма и электричества: с практическими инструкциями по проведению опытов и постройке дешевых приборов . У. Коллинз, Sons, & Co., стр. 169– . Проверено 26 мая 2013 г.

[8] Рональдс, БФ (2016). «Начало непрерывной научной записи с использованием фотографии: вклад сэра Фрэнсиса Рональда» . Европейское общество истории фотографии . Проверено 2 июня 2016 г.

[9] Кейтли, Прецизионные измерения малых токов и высоких сопротивлений, брошюра «Большая мера уверенности», 2011 г., стр. 8

[10] Спецификация вибрационного конденсатора XL7900.

[11] «Технические данные пентода электрометра CK5889» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 20 сентября 2016 г. Проверено 29 августа 2016 г.

[12] Инвертированный триод для промышленных измерений, Руководство по электронике промышленных цепей . Электроника . Декабрь 1944 г. с. 176.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

Исторические электрометры ​ ​