Электрометр — электрический прибор 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.
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 стеклянный конверт для защиты от сквозняков, а конверт может быть вакуумирован для минимизации утечки заряда. Еще одной причиной утечки заряда является ионизирующее излучение , поэтому, чтобы предотвратить это, электрометр должен быть окружен свинцовой защитой. [ нужна цитация ] 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, среди них Авраам Беннет (1787) [4] и Алессандро Вольта .
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 стебля, 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]
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 торсионные 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 стержень-носитель фиксированной частью 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).
Разработанный Пельтье , он использует форму магнитного компаса для измерения отклонения путем уравновешивания электростатической силы с помощью магнитной стрелки.
Электрометр Боненбергера, разработанный Й.Г.Ф. фон Боненбергером на основе изобретения Т.Г.Б. Беренса, [1] состоит из одного листа золота, подвешенного вертикально между анодом и катодом сухой батареи . 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]
Электрометры притяжения, также известные как «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 .
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 использовавшийся для измерения света звезд, [ нужна ссылка ] он использовался для инфракрасного обнаружения [ нужна ссылка ] 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.
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.
Современный электрометр представляет собой высокочувствительный электронный вольтметр , входное сопротивление которого 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 14 Ом по сравнению с примерно 10 10 Ом для нановольтметров. [9] Из-за чрезвычайно высокого входного импеданса во избежание тока утечки необходимо применять специальные конструктивные решения (например, активные экраны 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 ]
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]
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 ток утечки всего несколько фемтоампер (10–15 ампер ). 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]
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 которой входное напряжение сравнивается с внутренним источником опорного напряжения с помощью электронной схемы с очень высоким входным сопротивлением (порядка 10 14 Ом). 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 17 Ом. Наконец, путем расчета на основе известной емкости входной клеммы электрометра прибор может измерять очень малые электрические заряды , вплоть до небольшой доли пикокулона.
Учебник Джона Уильяма Дрейпера по химии.
