Электрометры - удивительные приборы, позволяющие заглянуть в мир электричества. Узнайте в этой статье, что такое электрометр, как он устроен, что измеряет и где применяется.
История создания электрометров
Первые эксперименты по измерению статического электричества начали проводить еще в 18 веке. Ученые пытались оценить силу электростатического взаимодействия между заряженными телами. Для этого использовали простые механические конструкции.
Одно из первых таких устройств представляло собой вертикальный деревянный стержень, к которому крепился подвижный полукруг со шкалой. К полукругу подвешивался на нити легкий пробковый шарик. При аппроашении заряженного тела шарик отклонялся на некоторый угол, значение которого можно было прочитать по шкале. Хотя измеренный угол не был строго пропорционален величине заряда, такой примитивный электрометр позволял хотя бы приблизительно оценить электростатическое поле.
Более совершенные конструкции появились в 19 веке. В 1787 году итальянский ученый Алессандро Вольта изобрел золотолистный электроскоп. Он представлял собой стеклянный цилиндр, внутри которого на изолированном электроде подвешивались два тончайших листка золотой фольги. Под действием электростатических сил между листками с одноименными зарядами они расходились на некоторый угол, величина которого зависела от силы заряда. Такой прибор позволял не только качественно определить наличие заряда, но и количественно оценить его величину.
Другой тип классического электрометра был разработан в 1830 году французским физиком Шарлем Пельтье. Его конструкция напоминала магнитный компас. В центре под подвижной стрелкой располагались заряженные обкладки конденсатора, которые создавали электростатическое поле. Стрелка отклонялась на угол, пропорциональный приложенному напряжению.
Принцип действия и конструкция
В основе работы любого электрометра лежит явление электростатического взаимодействия между заряженными телами. Существует два основных типа электрометров:
- Механические - используют подвижные элементы конструкции, отклоняющиеся под действием кулоновских сил
- Электронные - преобразуют электростатическое поле в электрический ток, который затем усиливается и измеряется
По принципу действия различают несколько разновидностей электронных электрометров:
- Вакуумные ламповые
- Полупроводниковые твердотельные
- Специальные интегральные схемы
Чувствительным элементом вакуумных ламповых электрометров является электронный триод или пентод, включенный по специальной схеме. Входное напряжение подается на управляющую сетку лампы, вызывает изменение анодного тока, которое затем усиливается и измеряется. Такие электрометры обладают рекордной чувствительностью, позволяя измерять напряжения порядка 10-14 В.
В твердотельных электрометрах используются полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник. Под действием электрического поля в канале транзистора изменяется проводимость, что приводит к изменению тока. Этот ток усиливается с помощью операционных усилителей и измеряется цифровыми или аналоговыми измерительными приборами.
| Тип электрометра | Диапазон измеряемых напряжений | Входное сопротивление |
| Ламповый | 10-9...10-14 В | 1013-1015 Ом |
| Твердотельный | 10-6...10-12 В | 1011-1014 Ом |
Интегральные электрометры выполняются в виде специализированных микросхем, объединяющих в одном корпусе чувствительный входной каскад, усилитель напряжения и измеритель. Такие приборы отличаются малыми габаритами, низким энергопотреблением, высокой надежностью.
Общими узлами для всех типов электрометров являются:
- Корпус с экранирующим покрытием
- Специальные разъемы и соединители
- Блок питания от батареек или аккумуляторов
- Устройство индикации
Конструкция электрометра должна обеспечивать эффективную защиту от внешних электрических помех. В то же время чувствительный вход нуждается в хорошем электрическом контакте с исследуемым объектом.
В отличие от электрометров, что измеряет в физике, онпозволяет получить лишь качественную оценку наличия заряда и его приблизительную величину. Электроскопы имеют гораздо более простое устройство, не требующее источника питания и усилителей сигнала.
Основные характеристики и параметры
Основными метрологическими характеристиками любого прибора электрометра являются:
- Диапазон измерений
- Чувствительность
- Погрешность
- Входное сопротивление
- Быстродействие
Электрометр, что измеряетнапряжение или заряд, имеет диапазон измеряемых напряжений может составлять от долей нановольта до тысяч вольт. Соответственно и измеряемые заряды могут находиться в пределах от 10-18 до 10-6 Кл.
Чувствительность характеризует минимальное значение напряжения или заряда, которое может быть измерено данным электрометром. Например, ламповые вакуумные электрометры способны регистрировать напряжения менее 10-14 В.
Погрешность измерений зависит от класса точности прибора и может составлять от десятых долей процента до нескольких процентов. Современные цифровые электрометры имеют погрешность до 0,1%.
Отличительной особенностью электрометров является чрезвычайно высокое входное сопротивление - до 1014-1015 Ом. Это позволяет измерять слабые заряды, не разряжая исследуемый объект.
Быстродействие характеризует скорость срабатывания прибора при резком изменении входного сигнала. У современных цифровых электрометров это значение может составлять менее 100 мкс.
Таким образом, назначение электрометра состоит в точном измерении малых значений постоянных и переменных электрических напряжений, статических зарядов и соответствующих им токов электрометрических методов.
Электрометрические методы основаны на прецизионных измерениях малых токов и напряжений с помощью высокочувствительной аппаратуры. Электрометры позволяют регистрировать даже отдельные электроны, движущиеся в электрическом поле. Например, ионизационные камеры, работающие совместно с электрометрами, широко используются для обнаружения ионизирующих излучений.
К основным электрометрическим методам измерений относятся:
- Метод компенсации заряда
- Метод вибрирующего конденсатора
- Релаксационный метод
В методе компенсации к исследуемому объекту подводится дополнительный заряд, уравновешивающий его собственный заряд. По величине компенсирующего напряжения судят о заряде объекта.
Вибрирующий конденсатор представляет собой емкость, одна из обкладок которой колеблется с заданной частотой. Эти колебания индуцируют переменный ток, измеряя величину которого можно рассчитать заряд конденсатора.
В релаксационном методе электрометром измеряется скорость рассеяния заряда с предварительно заряженного объекта. Чем меньше постоянная времени релаксации, тем выше проводимость объекта.
Сферы применения электрометров
То, что измеряет электрометр - это очень важно, так как области использования этих приборов весьма разнообразны. Рассмотрим основные сферы применения электрометров.
Измерение слабых статических полей
Благодаря высокой чувствительности, электрометры широко используются для регистрации и исследования слабых статических электрических полей. Они позволяют измерять даже минимальные электростатические заряды на различных объектах.
Контроль радиоактивных излучений
Измеряет ли электрометр радиацию? Да, в комплекте со специальными датчиками-счетчиками электрометры служат чувствительными радиометрами. Они используются для контроля радиационной обстановки, дозиметрии, экологического мониторинга.
Электротехнические измерения
Высокоомные электрометры применяются для измерения характеристик полупроводниковых приборов, интегральных микросхем, жидкокристаллических индикаторов. Они позволяют определить токи утечки, емкость, тангенс угла диэлектрических потерь.
Космические исследования
В космической технике электрометры используются в составе различных измерительных комплексов для исследования параметров околоземного космического пространства, регистрации заряженных частиц в магнитосфере Земли.
Медицинские исследования
В медицине высокочувствительные электрометры применяют для регистрации слабых биопотенциалов - импульсов нервных волокон, сигналов от мышц сердца. Такие измерения используются в электрокардиографии, электроэнцефалографии.
