 | Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )
|
Электрометр представляет собой электрический прибор для измерения электрического заряда или электрической разности потенциалов . [1] Существует множество различных типов, от старинных механических инструментов ручной работы до высокоточных электронных устройств. Современные электрометры на основе вакуумных трубок или полупроводниковой технологии могут использоваться для измерения напряжения и заряда с очень низкими токами утечки, вплоть до 1 фемтоампера . Более простой, но связанный инструмент, электроскоп , работает по аналогичным принципам, но показывает только относительные величины напряжений или зарядов.
Исторические электрометры [ править ]
Электроскоп с позолотой [ править ]
Электроскоп с золотым листом был одним из инструментов, используемых для определения электрического заряда. [1] Он по-прежнему используется для научных демонстраций, но в большинстве приложений его заменили электронные измерительные приборы. Инструмент 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 кулоновской силы.. Их разделение является прямым показателем накопленного на них чистого заряда. На стекло напротив листьев можно наклеить кусочки оловянной фольги, чтобы, когда листья полностью расходятся, они могли попасть в землю. Листы могут быть заключены в стеклянную оболочку для защиты от сквозняков, а оболочка может быть откачана, чтобы минимизировать утечку заряда. Еще одной причиной утечки заряда является ионизирующее излучение , поэтому для предотвращения этого электрометр должен быть окружен свинцовым экраном. [ необходима цитата ] Этот принцип использовался для обнаружения ионизирующего излучения, как видно в электрометре с кварцевым волокном и измерителе радиоактивных осадков Кирни .
Этот тип электроскопа обычно действует как индикатор, а не как измерительный прибор, хотя его можно откалибровать. Браун [ сомнительное ] электроскоп заменить [ когда? ] электроскоп с позолотой для более точных измерений. [ необходима цитата ]
Инструмент был разработан в 18 веке несколькими исследователями, среди которых были Абрахам Беннет (1787 г.) [2] и Алессандро Вольта .
Электрометр с ранним квадрантом [ править ]
Хотя термин «квадрантный электрометр» в конечном итоге относился к версии Кельвина, этот термин впервые был использован для описания более простого устройства. [3] Он состоит из вертикального деревянного стержня, к которому прикреплен полукруг из слоновой кости. Из центра на стержне висит 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 прямо пропорционален заряду. Среди первых изобретателей были Уильям Хенли (1770) и Гораций-Бенедикт де Соссюр . [2]
Электрометр Кулона [ править ]
Кручение используется для измерения большей чувствительности, чем отталкивание золотых листьев или пробковых шариков. Он состоит из стеклянного цилиндра со стеклянной трубкой наверху. В осях трубки - стеклянная нить, нижний конец которой удерживает полоску из жевательной резинки, с позолоченными пробковыми шариками на каждом конце. Через другое отверстие на цилиндре можно ввести еще один стержень из жевательной резинки с позолоченными шариками. Это называется несущей штангой.
Если нижний шар несущего стержня заряжен, когда он входит в отверстие, это оттолкнет один из подвижных шариков внутри. Индекс и шкала (не показаны) прикреплены к верхней части поворотного стеклянного стержня. Число градусов, повернутых для того, чтобы шары снова собрались вместе, точно пропорционально количеству заряда шара несущего стержня.
Фрэнсис Рональдс , первый директор обсерватории Кью , внес важные улучшения в кулоновские торсионные весы около 1844 года, и модифицированный инструмент был продан лондонскими производителями инструментов. [4] Рональдс использовал тонкую подвешенную иглу, а не пластиковую пластину из жевательной резинки, и заменил несущий стержень неподвижным элементом в плоскости иглы. Оба были металлическими, как и подвесная линия и окружающая ее трубка, так что игла и фиксированная деталь могли заряжаться напрямую через проводные соединения. Рональдс также использовал клетку Фарадея и пробную фотографию для непрерывной записи показаний. Это был предшественник квадрантного электрометра Кельвина (описанный 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 Bohnenberger , разработанный JGF von Bohnenberger на основе изобретения TGB Behrens [1], состоит из одного золотого листа, подвешенного вертикально между анодом и катодом сухой груды . Любой заряд, передаваемый золотому листу, заставляет его двигаться к тому или иному полюсу; таким образом, можно измерить знак заряда, а также его приблизительную величину. [5]
Электрометр притяжения [ править ]
Электрометры притяжения, также известные как «электрометры с притяжением » [1], представляют собой чувствительные весы, измеряющие притяжение между заряженными дисками. Уильяму Сноу Харрису приписывают изобретение этого инструмента, который 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 заизолированы и попарно соединены по диагонали. Заряженный алюминиевый сектор притягивается к одной паре сегментов и отталкивается от другой. Отклонение наблюдается при отражении луча света от небольшого зеркала, прикрепленного к сектору, как в гальванометре . Гравировка справа показывает немного другую форму этого электрометра, использующую четыре плоские пластины, а не закрытые сегменты. Пластины могут быть подключены снаружи обычным диагональным способом (как показано) или в другом порядке для конкретных приложений.
Фредерик Линдеманн разработал более чувствительную форму квадрантного электрометра . В нем вместо алюминиевого сектора используется кварцевое волокно с металлическим покрытием. Прогиб измеряется путем наблюдения за движением волокна под микроскопом. Первоначально для измерения света звезд, [ править ] он был использован для инфракрасного обнаружения [ править ] самолеты на ранних этапах Второй мировой войны .
Некоторые механические электрометры размещались внутри клетки, которую часто называют «клеткой для птиц». Это форма клетки Фарадея, которая защищала инструмент от внешних электростатических зарядов.
Электрограф [ править ]
Показания электроэнергии можно записывать непрерывно с помощью устройства, известного как электрограф. Примерно в 1814 году Фрэнсис Рональдс создал первый электрограф, в котором изменяющееся электричество создавало узор на вращающейся пластине с полимерным покрытием. Он использовался в обсерватории Кью и Королевской обсерватории в Гринвиче в 1840-х годах для создания записей изменений атмосферного электричества . [4] В 1845 году Рональдс изобрел фотографические средства регистрации атмосферного электричества. Светочувствительная поверхностьмедленно протягивался за апертурную диафрагму корпуса камеры, в которой также находился электрометр, и фиксировал текущие движения индексов электрометра в качестве следа. [6] Кельвин использовал аналогичные фотографические средства для своего квадрантного электрометра (см. Выше) в 1860-х годах.
Современные электрометры [ править ]
Современный электрометр - это высокочувствительный электронный вольтметр , входной импеданс которого настолько высок, что для большинства практических целей ток, протекающий через него, можно считать нулевым. Фактическое значение входного сопротивления для современных электронных электрометров составляет около 10 14 Ом, по сравнению с примерно 10 10 Ом для нановольтметров. [7] Из-за чрезвычайно высокого входного импеданса необходимо учитывать особые конструктивные особенности, чтобы избежать тока утечки, например, управляемые экраны и специальные изоляционные материалы.
Среди других приложений электрометры используются в экспериментах по ядерной физике, поскольку они могут измерять крошечные заряды, оставшиеся в материи при прохождении ионизирующего излучения . Чаще всего современные электрометры используются для измерения излучения с помощью ионизационных камер в таких приборах, как счетчики Гейгера . [ необходима цитата ]
Электрометры с вибрирующим язычком [ править ]
В электрометрах с вибрирующим язычком используется конденсатор переменной емкости, образованный между подвижным электродом (в форме вибрирующего язычка) и фиксированным входным электродом. По мере того, как расстояние между двумя электродами меняется, емкость также изменяется, и электрический заряд нагнетается внутрь конденсатора и выходит из него. Сигнал переменного тока, создаваемый потоком этого заряда, усиливается и используется как аналог постоянного напряжения, подаваемого на конденсатор. Входное сопротивление постоянному току электрометра определяется исключительно сопротивлением утечки конденсатора и обычно чрезвычайно велико (хотя его входное сопротивление переменного тока ниже).
Для удобства использования узел вибрирующего язычка часто присоединяется кабелем к остальной части электрометра. Это позволяет располагать относительно небольшой блок рядом с измеряемым зарядом, в то время как более крупный герконовый драйвер и блок усилителя можно размещать в любом удобном для оператора месте. [8]
Клапанные электрометры [ править ]
В клапанных электрометрах используется специальная вакуумная трубка (термоэлектронный клапан) с очень высоким коэффициентом усиления ( крутизной ) и входным сопротивлением. Входному току позволяют течь в высокоомную сетку, и генерируемое таким образом напряжение значительно усиливается в цепи анода ( пластины ). Клапаны, предназначенные для использования в электрометрах, имеют ток утечки всего в несколько фемтоампер (10 −15 ампер). С такими клапанами следует обращаться в перчатках, поскольку соли, оставшиеся на стеклянной оболочке, могут обеспечить пути утечки для этих крошечных токов. [9]
В специализированной схеме, называемой инвертированным триодом , роли анода и сетки меняются местами. Это размещает управляющий электрод на максимальном расстоянии от области пространственного заряда, окружающей нить накала, сводя к минимуму количество электронов, собираемых управляющим электродом, и, таким образом, сводя к минимуму входной ток. [10]
Твердотельные электрометры [ править ]
Самые современные электрометры состоят из твердотельного усилителя, использующего один или несколько полевых транзисторов , соединений для внешних измерительных устройств и, как правило, соединений для дисплея и / или регистрации данных. Усилитель усиливает небольшие токи, поэтому их легче измерить. Внешние соединения обычно имеют коаксиальную или трехосную конструкцию и позволяют устанавливать диоды или ионизационные камеры для измерения ионизирующего излучения . Соединения для отображения или регистрации данных позволяют пользователю просматривать данные или записывать их для последующего анализа. Электрометры, предназначенные для использования с ионизационными камерами, могут включать в себя высоковольтный источник питания, который используется для смещения ионизационной камеры.
Твердотельные электрометры часто представляют собой многоцелевые устройства, которые могут измерять напряжение, заряд, сопротивление и ток. Они измеряют напряжение с помощью «напряжения балансировки», в котором 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 может быть адаптирован для измерения очень высоких сопротивлений , порядка 10 17 Ом. Наконец, расчетом по известной емкостивходной клеммы электрометра прибор может измерять очень малые электрические заряды , вплоть до небольшой доли пикокулона.
См. Также [ править ]
- Электрические измерения
- Электрон
- Электроскоп
- Радиация
- Электрометр с чашкой Фарадея
Ссылки [ править ]
- Д-р Дж. Фрик, Физическая техника; Или «Практические инструкции по проведению экспериментов по физике», переведенные Джоном Д. Истером, доктором философии. - JB Lippincott & Co., Филадельфия, 1862 г.
- Роберт Мфургесон, доктор философии. Электричество - Уильям и Роберт Чемберс, 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 Вили и сыновья, Лондон, 1988
- ^ a b c d Флеминг, Джон Эмброуз (1911). . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . 9 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 234–237.
- ^ a b Бэигри, 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.
- ^ а б Рональдс, Б.Ф. (2016). Сэр Фрэнсис Рональдс: отец электрического телеграфа . Лондон: Imperial College Press. ISBN 978-1-78326-917-4.
- ^ Джон Энджелл (1877). Элементы магнетизма и электричества: с практическими инструкциями по проведению экспериментов и построению дешевой аппаратуры . W. Collins, Sons, & Co., стр. 169– . Проверено 26 мая 2013 года .
- ^ Ronalds, BF (2016). «Начало непрерывной научной записи с использованием фотографии: вклад сэра Фрэнсиса Рональдса» . Европейское общество истории фотографии . Проверено 2 июня +2016 .
- ^ Кейтли, Прецизионные измерения малых токов и высоких сопротивлений, брошюра «Больше уверенности», 2011 г., стр. 8
- ^ XL7900 Паспорт вибрационного конденсатора
- ^ CK5889 Паспорт пентода электрометра
- ^ Инвертированный триод для промышленных измерений, Руководство по электронике промышленных схем . Электроника . Декабрь 1944 г. с. 176.
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы по теме электроскопов . |
- Постройте этот электрометр на полевом транзисторе - очень простая схема - 2 компонента
- Электрометр на полевых транзисторах - простая мостовая схема
- Электрометр операционного усилителя
- Ранние электрометры
- Зарядка электроскопа индукцией с помощью отрицательно заряженного шара от Multimedia Physics Studios
