Электрометр – что это такое? Существует множество различных типов, начиная от раритетных механических инструментов ручной работы и заканчивая высокоточными устройствами. Современные электрометры и другие измерительные устройства собраны на основе вакуумной трубки или твердотельной технологии. Они могут использоваться для измерения напряжения и заряда с очень малыми токами утечки, вплоть до 1 фемтоампера. Электроскоп является более простым устройством. Он работает по схожим принципам, но показывает только относительные величины напряжений. А что измеряет электрометр и другие приборы?
История этого устройства
Самым первым измерителем потенциала можно назвать "Ранний квадратный" или просто "Квадратный". Хотя этот термин в конечном итоге относился к версии Кельвина, он впервые был использован для описания более простого устройства. А что измеряет электрометр и из чего состоит?
Он изготовлен из вертикального ствола дерева, к которому прикреплен полукруг из слоновой кости. Из центра на шарнире висит легкий пробковый шар. Когда инструмент помещается на заряженное тело, стебель участвует и отталкивает пробковый шар. Величина отталкивания может быть считана с градуированного полукруга, хотя измеренный угол не прямо пропорционален заряду. Среди первых изобретателей были Уильям Хенли и Гораций-Бенедикт де Соссюр.
А кто же был "первопроходцем" у электроскопов?
А электроскоп и электрометр – это что такое и кто из них был лучше? Самый первый электроскоп с золотым листом был однозначно самым первым. Такое устройство можно встретить в реальном мире на некоторых научных конференциях, но в основном он был повсеместно заменен на более технологичную версию. В отличие от электрометра, он чаще исполнял роль датчика, чем измерительного прибора.
Сам инструмент состоит из двух тонких листов золотой фольги, подвешенных к электроду. Когда он заряжается индукцией или контактом, листья приобретают одинаковые электрические заряды и отталкивают друг друга благодаря кулоновской силе. Их разделение является прямым показателем накопленной чистой энергии. На стекло напротив листьев можно наклеить кусочки оловянной фольги, чтобы, когда листья полностью расходятся, они могли попасть в землю. Лепестки могут быть заключены в стеклянный "конверт", что защитить их от сквозняков. Для минимизации утечку заряда данный конверт изолируют. Еще одной причиной утечки является ионизирующее излучение, поэтому для предотвращения ее электрометр должен быть окружен свинцовым экраном.
Инструмент был разработан в XVIII веке несколькими исследователями, среди которых Авраам Беннет и Алессандро Вольта.
Модели от Пельтье и Боненбергера
Измерительное устройство Боненберга состоит из одного золотого листа, подвешенного вертикально между анодом и катодом сухого ворса. Любой заряд, передаваемый сусальному золоту, заставляет его двигаться к одному или другому полюсу. Что измеряет электрометр Боненберга? Знак заряжаемой частицы, а также ее приблизительную величину.
Электрометр Пельтье использует форму магнитного компаса для измерения отклонения, уравновешивая статическую силу с помощью магнитной иглы.
Современные устройства
Современный электрометр – это высокочувствительный вольтметр, входной импеданс которого настолько велик, что ток, протекающий в него, можно считать равным нулю для большинства бытовых задач.
Что измеряет электрометр, и какое у него сопротивление? Фактическое значение входного сопротивления для современных устройств составляет около 1014 Ом, по сравнению с 1010 Ом для нановольтметров. Из-за чрезвычайно высокого входного сопротивления, необходимо применять особые конструктивные решения, чтобы избежать утечки тока.
Среди других применений, электрометры используются в экспериментах по ядерной физике, поскольку они способны измерять крошечные заряды, оставленные в веществе при прохождении ионизирующего излучения. Наиболее распространенным применением современных устройств, является измерение излучения с помощью ионизационных камер в таких приборах, как счетчики Гейгера.
Клапанный электрометр
Клапанные версии используют специализированную вакуумную трубку с очень высоким коэффициентом усиления и входным сопротивлением. Входной ток может течь в импедансную сетку, и генерируемое таким образом напряжение значительно усиливается в анодной (пластинчатой) цепи. Клапаны, предназначенные для использования с электрометрами, имеют токи утечки всего несколько фемтоампер (10-15 ампер). К таким клапанам следует прикасаться руками в перчатках, так как соли, оставшиеся на стеклянной оболочке, могут создать пути утечки для этих крошечных токов.
В специализированной схеме, называемой "инвертированным триодом", роли анода и сетки меняются местами. Это размещает управляющий элемент на максимальном расстоянии от области пространственного заряда, окружающей нить накала, минимизируя количество электронов, собранных управляющей цепью, и, таким образом, снижая до наименьшего значения входной ток.
Самые современные электрометры
Самые современные измерительные приборы состоят из твердотельного усилителя, использующего один или несколько полевых транзисторов, соединений для подключения внешних измерительных устройств и, как правило, подсоединения. Для твердотельного электрометра фото приведено выше.
Усилитель увеличивает небольшой ток для упрощения процедуры его измерения. Внешние соединения обычно имеют коаксиальную или трехосную конструкцию и позволяют устанавливать диоды или ионизационные камеры для измерения ионизирующего излучения. Подключения к дисплею или аппаратуре для 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 также применяются для смещения ионизационной камеры.
