Электрометр — это электрический прибор для измерения электрического заряда или разности электрических потенциалов . [1] Существует множество различных типов, от исторических механических приборов ручной работы до высокоточных электронных устройств. Современные электрометры на основе вакуумных ламп или твердотельных технологий могут использоваться для измерения напряжения и заряда с очень низкими токами утечки, вплоть до 1 фемтоампера . Более простой, но родственный прибор, электроскоп , работает по схожим принципам, но показывает только относительные величины напряжений или зарядов.
Электроскоп с золотым листом был одним из инструментов, используемых для индикации электрического заряда. [1] Он все еще используется для научных демонстраций, но был заменен в большинстве приложений электронными измерительными приборами. Прибор состоит из двух тонких листов золотой фольги, подвешенных к электроду . Когда электрод заряжается индукцией или контактом, листы приобретают одинаковые электрические заряды и отталкиваются друг от друга из-за силы Кулона . Их разделение является прямым указанием на чистый заряд, сохраненный на них. На стекле напротив листьев могут быть наклеены кусочки оловянной фольги, так что когда листья полностью расходятся, они могут разряжаться в землю. Листья могут быть заключены в стеклянную оболочку, чтобы защитить их от сквозняков, а оболочка может быть вакуумирована , чтобы минимизировать утечку заряда. 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 золотым листом хорош до 800 В с разрешением 0,1 В при использовании окулярного микрометра . Для больших напряжений до 4–6 кВ прибор Брауна может достигать разрешения 10 В. [ 2] [3]
Инструмент был разработан в XVIII веке несколькими исследователями, среди которых были Авраам Беннет (1787) [4] и Алессандро Вольта .
Хотя термин «квадрантный электрометр» в конечном итоге относился к версии Кельвина, этот термин был впервые использован для описания более простого устройства. [5] Он состоит из вертикального стержня из дерева, к которому прикреплен полукруг из слоновой кости. Из центра свисает легкий пробковый шарик на оси. Когда прибор помещается на заряженное тело, стержень участвует и отталкивает пробковый шарик. Величину отталкивания можно прочитать по градуированному полукругу, хотя измеренный угол не находится в прямой зависимости от заряда. Среди первых изобретателей были Уильям Хенли (1770) и Орас-Бенедикт де Соссюр . [4]
Кручение используется для получения более чувствительного измерения, чем отталкивание золотых листочков или пробковых шариков. Он состоит из стеклянного цилиндра со стеклянной трубкой наверху. В осях трубки находится стеклянная нить, нижний конец которой удерживает стержень из гуммилака с позолоченным шариком сердцевины на каждом конце. Через другое отверстие в цилиндре может быть введен другой стержень из гуммилака с позолоченными шариками. Это называется несущим стержнем.
Если нижний шар несущего стержня заряжен, когда он вводится в отверстие, это оттолкнет один из подвижных шаров внутри. Индекс и шкала (не изображены) прикреплены к верхней части скручивающегося стеклянного стержня. Количество градусов, скрученных для того, чтобы снова собрать шары вместе, находится в точной пропорции к величине заряда шара несущего стержня.
Фрэнсис Рональдс , первый директор обсерватории Кью , внес важные усовершенствования в крутильные весы Кулона около 1844 года, и модифицированный инструмент был продан лондонскими производителями инструментов. [6] Рональдс использовал тонкую подвешенную иглу вместо стержня из смоляного лака и заменил несущий стержень неподвижной частью в плоскости иглы. Оба были металлическими, как и подвешенная линия и окружающая ее трубка, так что игла и неподвижная часть могли заряжаться напрямую 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 , этот прибор использует своего рода магнитный компас для измерения отклонения путем уравновешивания электростатической силы магнитной стрелкой.
Электрометр Боненбергера, разработанный Й. Г. Ф. фон Боненбергером на основе изобретения Т. Г. Б. Беренса, [1] состоит из одного золотого листа, подвешенного вертикально между анодом и катодом сухой батареи . Любой заряд, сообщенный золотому листу, заставляет его двигаться к одному или другому полюсу; таким образом, можно измерить знак заряда, а также его приблизительную величину. [7]
Также известные как «электрометры с притягивающимися дисками», [1] электрометры притяжения представляют собой чувствительные весы, измеряющие притяжение между заряженными дисками. Уильяму Сноу Харрису приписывают изобретение этого прибора, который был впоследствии усовершенствован лордом Кельвином .
Разработанный лордом Кельвином , это самый чувствительный и точный из всех механических электрометров. Оригинальная конструкция использует легкий алюминиевый сектор, подвешенный внутри барабана, разрезанного на четыре сегмента. Сегменты изолированы и соединены по диагонали парами. Заряженный алюминиевый сектор притягивается к одной паре сегментов и отталкивается от другой. Отклонение наблюдается с помощью луча света, отраженного от небольшого зеркала, прикрепленного к сектору, как в гальванометре . Гравюра справа показывает немного иную форму этого электрометра, использующего четыре плоские пластины, а не закрытые сегменты. 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 Линдеманном . Он использует кварцевое волокно с металлическим покрытием вместо алюминиевого сектора. Отклонение измеряется путем наблюдения за движением волокна под микроскопом. Первоначально использовавшийся для измерения звездного света, [ нужна цитата ] он использовался для инфракрасного обнаружения [ нужна цитата ] самолетов на ранних этапах Второй мировой войны .
Некоторые механические электрометры размещались внутри клетки, часто называемой «птичьей клеткой». Это форма клетки Фарадея , которая защищала прибор от внешних электростатических зарядов.
Показания электричества можно непрерывно регистрировать с помощью устройства, известного как электрограф. Фрэнсис Рональдс создал ранний электрограф около 1814 года, в котором изменяющееся электричество создавало рисунок на вращающейся пластине, покрытой смолой . Он использовался в обсерватории Кью и Королевской обсерватории в Гринвиче в 1840-х годах для создания записей изменений в атмосферном электричестве . [6] В 1845 году Рональдс изобрел фотографические средства регистрации атмосферного электричества. Светочувствительная поверхность медленно протягивалась мимо апертурной диафрагмы корпуса камеры, в которой также находился электрометр, и фиксировала текущие движения индексов электрометра в качестве следа. [8] Кельвин использовал аналогичные фотографические средства для своего квадрантного электрометра (см. выше) в 1860-х годах.
Современный электрометр — это высокочувствительный электронный вольтметр , входное сопротивление которого настолько велико, что ток, протекающий в него, можно считать равным нулю для большинства практических целей. Фактическое значение входного сопротивления для современных электронных электрометров составляет около 10 14 Ом по сравнению с около 10 10 Ом для нановольтметров. [9] Из-за чрезвычайно высокого входного сопротивления необходимо применять специальные конструктивные решения (такие как управляемые экраны и специальные изоляционные материалы), чтобы избежать тока утечки.
Среди других применений электрометры используются в экспериментах по ядерной физике , поскольку они способны измерять крошечные заряды, оставленные в веществе прохождением ионизирующего излучения . Наиболее распространенным применением современных электрометров является измерение радиации с помощью ионизационных камер в таких приборах, как счетчики Гейгера . [ необходима цитата ]
Вибрационные язычковые электрометры используют переменный конденсатор, образованный между подвижным электродом (в форме вибрирующего язычка) и фиксированным входным электродом. Поскольку расстояние между двумя электродами изменяется, емкость также изменяется, и электрический заряд принудительно вводится и выводится из конденсатора. Сигнал переменного тока, создаваемый потоком этого заряда, усиливается и используется в качестве аналога для постоянного напряжения, приложенного к конденсатору. Входное сопротивление постоянного тока электрометра определяется исключительно сопротивлением утечки конденсатора и, как правило, чрезвычайно велико (хотя его входное сопротивление переменного тока ниже).
Для удобства использования вибрирующий узел язычка часто прикрепляется кабелем к остальной части электрометра. Это позволяет относительно небольшому устройству располагаться вблизи измеряемого заряда, в то время как гораздо более крупный блок язычка-привода и усилителя может располагаться в любом удобном для оператора месте. [10]
Электрометры с клапанами используют специализированную вакуумную трубку (термоэлектронный клапан) с очень высоким коэффициентом усиления ( транскондуктивностью ) и входным сопротивлением. Входной ток может протекать в сетку с высоким импедансом, а генерируемое таким образом напряжение значительно усиливается в анодной ( пластинчатой ) цепи. Клапаны, предназначенные для использования в электрометрах, имеют токи утечки всего несколько фемтоампер (10−15 ампер ). С такими клапанами необходимо работать в перчатках, поскольку соли, оставшиеся на стеклянной колбе, могут стать путями утечки для 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 накала, минимизируя количество электронов, собираемых управляющим электродом, и, таким образом, минимизируя входной ток. [12]
Самые современные электрометры состоят из твердотельного усилителя, использующего один или несколько полевых транзисторов , соединений для внешних измерительных устройств и, как правило, дисплея и/или соединений для регистрации данных. Усилитель усиливает небольшие токи, чтобы их было легче измерять. Внешние соединения обычно имеют коаксиальную или триаксиальную конструкцию и позволяют подключать диоды или ионизационные камеры для измерения ионизирующего излучения . Соединения для отображения 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 являются многоцелевыми устройствами, которые могут измерять напряжение, заряд, сопротивление и ток. Они измеряют напряжение с помощью «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 всего в несколько фемтоампер. В сочетании с внутренним источником напряжения режим измерения тока может быть адаптирован для измерения очень высоких сопротивлений , порядка 10 17 Ом. Наконец, путем расчета из известной емкости входного терминала электрометра прибор может измерять очень малые электрические заряды , вплоть до малой доли пикокулона.
Учебник Джона Уильяма Дрейпера по химии.
