Elektrometri

Volt elektrometri

Elektrometri është një instrument elektrike për matjen e ngarkesës elektrike ose ndryshimit të potencialit elektrik. Ekzistojnë disa tipe të ndryshme, duke filluar nga instrumentet mekanike të ndërtuara nga dora në pajisjet e përsosura elektronike. Elektromotorët modern të bazuar në tuba vakuumi ose në teknologji me gjendje të qëndrueshme mund të përdoren për të bërë matje të tensionit dhe të ngarkesës me rrjedhje shumë të ulët të rrymave, deri në 1 femtoamper. Një instrument i thjeshtë por i afërm, elektroskopi, punon në të njëjtin princip të thjeshtë por ai vetëm tregon madhësitë relative të tensioneve ose ngarkesave.

Elektrometrat e vjetër

Elektrometri me fleta ari

Elektroskopi me fleta ari

Elektroskopi me fleta të arit ishte i pari instrument sensitiv i përdorur për të induktuar ngarkesë elektrike. Përdoret ende për demonstrime shkencore por është zëvendësuar në shumicën e aplikacioneve nga instrumente matës elektronike. Instrumenti përbëhet nga dy fleta të holla të arit të mënjanuara nga një elektrodë. Kur elektroda është e ngarkuar nga induksioni ose nga kontakti, fletat marrin të njëjtën ngarkesë dhe e shtyjnë njëra-tjetrën për shkak të forcën së Kulonit. Ndarja e tyre është një induksion direkt i ngarkesës përfundimtare. Në xham përkundër fletave, ka mundësi të ngjiten pjesë të holla, ashtu që kur fletat ndryshojnë plotësisht ato mund të shkarkohen në tokë. Fletat mund të mbyllen në membramën e xhamit për ta mbrojtur atë nga draftet, dhe membrama mund të evakuohet për të minimizuar rrjedhjen e ngarkesës. Një shkak më i lartë i rrjedhjes së ngarkesës është jonizimi i rrezatimit, kështu që për ta penguar këtë, elektrometri duhet të rrethohet nga plumba mbrojtës. Ky princip është përdorur për ta detektuar jonizimin e rrezatimit.

Ky tip i elektroskopit zakonisht vepron si një indikator dhe jo si pajisje matëse, edhe pse ai mund të kalibrohet. Elektroskopi i Braunit e zëvendësoi elektroskopin e fletave të arit për matje më të sakta.

Instrumenti u shpik në shekullin e 18-të nga disa hulumtues ndër të cilët Abraham Bennet dhe Alessandro Volta.

Elektrometri i hershëm kuadrant

Elektrometri i hershëm kuadrant

Përderisa termi “elektrometër kuadrant” i referohet versionit të Kelvinit, ky term së pari u përdor për të përshkruar një pajisje më të thjeshtë. Ai përbëhet nga një rrjedhim i drejtë i drurit, te i cili është i fiksuar një gjysmërreth i fildishtë. Nga qendra ngjitet një top tape i dritës mbi bosht. Kur instrumenti është i vendosur mbi një trup të ngarkuar, druri merr pjesë dhe e shtyn topin tapë. Shuma e shtytjes mund të lexohet nga gjysmërrethi, edhe pse është e qartë se këndi matës nuk është në proporcion të drejtë me ngarkesën.

Elektrometri i Kulonit

Elektrometri i Kulonit

Ky dizajn përdor rrotullimin për të dhënë një matje më sensitive sesa shtytja e fletave të arit ose të topit tapë. Ai përbëhet nga një cilindër i xhamit me një tub xhami në krye. Në bosht të tubit është një fije xhami, fundi i poshtëm mban një shufër të laçit, me një top energjik në seciin ekstremitet. Përmes një amparature tjetër në cilindër, një tjetër shkop i laçit me topa mund të përfshihen. Ky quhet shufra bartëse.

Nëse topi i poshtëm i shkopit bartës është i ngarkuar atëherë ai është i futur brenda kësaj aparature, kjo do t’i bëjë të lëvizin topat përbrenda. Një indeks dhe një shkallë (të pavizatuara) janë të kapura në maje të shufrës së xhamit.

Elektrometri Peltier

I shpikur nga Peltieri, ky përdor një formë të kompasit magnetik për të matur devijimiet duke balancuar forcën elektrostatike me një gjilpërë magnetike.

Elektrometri Bohnenberger

U shpik nga J. G. F. Von Bohnenberger, përbëhet nga një fletë e vetme e arit e vendosur vertikalisht në mes të anodës dhe katodës së një pile grumbulluese. Çfarëdo ngarkese që i jepet fletës së arit shkakton lëvizjën e saj nga një pol në tjetrin; kështu, shenja e ngarkesës si edhe përafërimi i madhësisë së saj mund të matet.

Elektrometri tërheqës

I njohur edhe si elektrometri tërheqës i diskut, elektrometrat tërheqës janë të balancuar ashtu që të masin tërheqjen në mes të disqeve të ngarkuara. Ëilliam Snoë Harris është i kredituar me zbulimin e këtij instrumenti, i cili mëpastaj u përmirësua nga Lord Kelvin.

Elektromentri kuadrant i Kelvinit

I shpikur nga Lord Kelvin, ky është elektrometri mekanik më sensitiv dhe më i saktë. Dizajni origjinal përdor një sektor të aluminit të lehtë të kapur brenda një prerjeje të tampurit në mes të katër segmenteve. Segmentet janë të izoluar dhe të lidhur në mënyrë diagonale në çift. Sektori i aluminit të ngarkuar tërhiqet nga një palë e segmenteve dhe shtyhet nga tjetra. Devijimi vëzhgohet nga një rreze e dritës e reflektuar nga një pasqyrë e vogël e ngjitur në sektor, si në një galvanometër. Gdhendja në të djathtë tregon një formë të ndryshme të këtij elektrometri, duke përdorur katër pllaka të sheshta në vend të segmenteve të mbyllura. Pllakat mund të lidhen nga jashtë në mënyrë diagonale (siç tregohet), ose në një rend ndryshe për aplikacione specifike.

Një formë më sensitive e elektrometrit kuadrant u shpik nga Frederick Lindemann. Ai përdor një fibër kuarci të mbuluar me metal në vend të sektorit të aluminit. Devijimi matet due vëzhguar lëvizjen e fibrave nën një mikroskop. Fillimisht i përdorur për matjen e dritës së yllit, ai u vu në punë për devijime infra të kuqe të aeroplanëve në fazat e hershme të Luftës së Dytë Botërore.

Disa elektrometra mekanik u vendosen brenda një kafazi të referuar si “kafaz zogu”. Kjo është një formë e kafazit të Faradeit që mbron instrumentin nga ngarkesat e jashtme elektrostatike.

Elektrometrat modern

Një elektrometër modern është një voltmetër elektronik shumë sensitiv, impedanca hyrëse e të cilit është shumë e lartë saqë rrjedhja e rrymës nëpër të mund të konsiderohet, për qëllime praktike, të jetë zero. Vlera aktuale e rezistencës hyrëse për elektrometrat elektronik modernë është rreth 10¹⁴Ω, e krahasuar me rreth 10¹⁰Ω për nanovoltmetra. Për shkak të impedancës së lartë hyrëse, konsiderimet e dizajneve të veçanta duhet të aplikohen për të shmangur rrjedhjen e rrymës,

Ndër aplikacionet e tjera, elektrometrat përdoren në eksperimentet e fizikës nukleare pasi janë të gjendje të masin ngarkesat e vogla nga kalimi i jonizimit të rrezatimit.

Elektrometri pipëz-dridhës

Këta elektrometra përdorin një kondensator të ndryshueshëm i formuar në mes të një electrode lëvizëse (në form të një pipëze dridhëse) dhe një electrode hyrëse të fiksuar. Përderisa distanca në mes të dy elektrodave ndryshon, kapaciteti ndryshon po ashtu dhe ngarkesa elektrike forcohet Brenda dhe jashtë kapacitetit. Sinjali i rrymës alternative i prodhuar nga rrjedhja e kësaj ngarkese është e aplifikuar dhe përdoret si analog i tensionit të rrymës direkte të aplikuar në kondensator. Rezistenca hyrëse e rrymës direkte të elektrometrit është e përcaktar nga rrjedhja e rezistencës së kondensatorit, dhe është ekstremisht e lartë, (edhe pse impedance hyrëse e rrymës së alternuar është e ulët).

Elektrometri valvulë

Elektrometri valvulë përdor një tub të vakuumit me transkonduktancë dhe me rezistencë hyrëse. Rryma hyrëse lejohet të rrjedhë nëpër rrjetën e lartë të impedancës dhe tensioni i gjeneruar është i amplifikuar në qarkun e anodës (pllakë). Valvulat e projektuara për elektrometër kanë rrjedhje të ulët të rrymës deri në disa femtoampera (10^-15 ampera). Valvulat e tilla duhet të kapen me dorëza pasi kripërat e xhamit mund të mundësojnë rrugë për rrjedhjen e këtyre rrymave të vogla.

Elektrometri i gjendjës së ngurtë

Elektrometri më modern përbëhet nga një amplifikator i gjendjës së ngurtë që përdorë një ose më shumë tranzistorë, të lidhur me pajisje të matjeve të jashtme, dhe zakonisht një shfaqje dhe/ose një lidhje dalëse. Amplifikatori amplifikon rrymat e vogla kështu që ato janë më të lehta për tu matur. Lidhjet e jashtme janë zakonisht koaksiale ose triaksiale, dhe lejojnë ngjitjen e diodës ose dhomëzat e jonizuara për matjen e jonizimit të rrezatimit.