Electrómetro

Electrometro de Kolbe, forma de precisión de instrumento de hoja de oro. Esto tiene una capa de aluminio girada ligera colgando junto a una placa de metal vertical. Cuando se carga la vana es repelida por el plato y se cuelga en un ángulo.

Un electrómetro es un instrumento eléctrico para medir la carga eléctrica o la diferencia de potencial eléctrico. Hay muchos tipos diferentes, desde instrumentos mecánicos históricos hechos a mano hasta dispositivos electrónicos de alta precisión. Los electrómetros modernos basados en tecnología de tubo de vacío o de estado sólido se pueden utilizar para realizar mediciones de tensión y carga con corrientes de fuga muy bajas, de hasta 1 femtoamperio. Un instrumento más simple pero relacionado, el electroscopio, funciona con principios similares pero solo indica las magnitudes relativas de voltajes o cargas.

Electrómetros históricos

Electroscopio de pan de oro

Electroscopio de hoja de oro

El electroscopio de pan de oro era uno de los instrumentos utilizados para indicar la carga eléctrica. Todavía se usa para demostraciones científicas, pero ha sido reemplazado en la mayoría de las aplicaciones por instrumentos de medición electrónicos. El instrumento consta de dos finas hojas de lámina de oro suspendidas de un electrodo. Cuando el electrodo se carga por inducción o por contacto, las hojas adquieren cargas eléctricas similares y se repelen debido a la fuerza de Coulomb. Su separación es una indicación directa de la carga neta almacenada en ellos. En el vidrio opuesto a las hojas, se pueden pegar pedazos de papel de aluminio, de modo que cuando las hojas diverjan completamente, se descarguen en el suelo. Las hojas se pueden encerrar en un sobre de vidrio para protegerlas de corrientes de aire, y el sobre se puede evacuar para minimizar la fuga de carga. Otra causa de fuga de carga es la radiación ionizante, por lo que para evitar esto, el electrómetro debe estar rodeado por un blindaje de plomo. Este principio se ha utilizado para detectar radiación ionizante, como se ve en el electrómetro de fibra de cuarzo y el medidor de lluvia radiactiva Kearny.

Este tipo de electroscopio suele actuar como un indicador y no como un dispositivo de medición, aunque se puede calibrar. Ferdinand Braun inventó un electrómetro calibrado con un indicador de aluminio más resistente y se describió por primera vez en 1887. Según Braun, el electrómetro de pan de oro estándar es bueno hasta aproximadamente 800 V con una resolución de 0.1 V utilizando un micrómetro ocular. Para voltajes mayores de hasta 4–6 kV, el instrumento de Braun puede lograr una resolución de 10 V.

El instrumento fue desarrollado en el siglo XVIII por varios investigadores, entre ellos Abraham Bennet (1787) y Alessandro Volta.

Electrómetro de cuadrante temprano

Electrometro cuadrante temprano.

Si bien el término "electrómetro de cuadrante" finalmente se refirió a la versión de Kelvin, este término se usó por primera vez para describir un dispositivo más simple. Consiste en un tallo vertical de madera, al que se fija un semicírculo de marfil. Del centro cuelga una bola de corcho ligera sobre un pivote. Cuando el instrumento se coloca sobre un cuerpo cargado, el vástago participa y repele la bola de corcho. La cantidad de repulsión se puede leer en el semicírculo graduado, aunque el ángulo medido no es directamente proporcional a la carga. Los primeros inventores incluyeron a William Henley (1770) y Horace-Bénédict de Saussure.

Electrómetro de Coulomb

Electrometro de la bomba

La torsión se utiliza para dar una medida más sensible que la repulsión de hojas de oro o bolas de corcho. Consiste en un cilindro de vidrio con un tubo de vidrio en la parte superior. En los ejes del tubo hay un hilo de vidrio, el extremo inferior de este sostiene una barra de goma laca, con una bola de médula dorada en cada extremo. A través de otra abertura en el cilindro, se puede introducir otra varilla de goma laca con bolas doradas. Esto se llama la barra portadora.

Si la bola inferior de la varilla portadora está cargada cuando se introduce en la abertura, esto repelerá una de las bolas móviles del interior. Un índice y una escala (no ilustrados) están unidos a la parte superior de la varilla de vidrio giratoria. El número de grados torcidos para volver a juntar las bolas es exactamente proporcional a la cantidad de carga de la bola de la varilla portadora.

Francis Ronalds, el director inaugural del Observatorio de Kew, realizó mejoras importantes en la balanza de torsión de Coulomb alrededor de 1844 y los fabricantes de instrumentos de Londres vendieron el instrumento modificado. Ronalds usó una aguja fina suspendida en lugar de la barra de goma laca y reemplazó la varilla portadora con una pieza fija en el plano de la aguja. Ambos eran de metal, al igual que la línea de suspensión y su tubo circundante, de modo que la aguja y la pieza fija podían cargarse directamente a través de conexiones de cables. Ronalds también empleó una jaula de Faraday y fotografía de prueba para registrar las lecturas de forma continua. Fue el precursor del electrómetro de cuadrante de Kelvin (descrito a continuación).

Electrómetro Peltier

Desarrollado por Peltier, utiliza una forma de brújula magnética para medir la desviación equilibrando la fuerza electrostática con una aguja magnética.

Electrómetro de Bohnenberger

El electrómetro de Bohnenberger, desarrollado por J. G. F. von Bohnenberger a partir de un invento de T. G. B. Behrens, consta de una sola hoja de oro suspendida verticalmente entre el ánodo y el cátodo de una pila seca. Cualquier carga impartida a la hoja de oro hace que se mueva hacia uno u otro polo; así, se puede medir el signo de la carga así como su magnitud aproximada.

Electrómetro de atracción

También conocidos como "electrómetros de disco atraído", los electrómetros de atracción son balanzas sensibles que miden la atracción entre discos cargados. A William Snow Harris se le atribuye la invención de este instrumento, que fue mejorado aún más por Lord Kelvin.

Electrómetro de cuadrante de Kelvin

El electrometro cuadrante de Lord Kelvin

Desarrollado por Lord Kelvin, este es el más sensible y preciso de todos los electrómetros mecánicos. El diseño original utiliza un sector de aluminio ligero suspendido dentro de un tambor cortado en cuatro segmentos. Los segmentos están aislados y conectados diagonalmente en pares. El sector de aluminio cargado es atraído por un par de segmentos y repelido por el otro. La desviación se observa mediante un haz de luz reflejado en un pequeño espejo adherido al sector, como en un galvanómetro. El grabado de la derecha muestra una forma ligeramente diferente de este electrómetro, que utiliza cuatro placas planas en lugar de segmentos cerrados. Las placas se pueden conectar externamente en forma diagonal convencional (como se muestra), o en un orden diferente para aplicaciones específicas.

Frederick Lindemann desarrolló una forma más sensible de electrómetro de cuadrante. Emplea una fibra de cuarzo recubierta de metal en lugar de un sector de aluminio. La desviación se mide observando el movimiento de la fibra bajo un microscopio. Utilizado inicialmente para medir la luz de las estrellas, se empleó para la detección infrarroja de aviones en las primeras etapas de la Segunda Guerra Mundial.

Algunos electrómetros mecánicos estaban alojados dentro de una jaula a la que a menudo se hace referencia como "jaula de pájaros". Esta es una forma de jaula de Faraday que protege el instrumento de cargas electrostáticas externas.

Electrógrafo

Las lecturas de electricidad se pueden registrar continuamente con un dispositivo conocido como electrógrafo. Francis Ronalds creó un electrógrafo temprano alrededor de 1814 en el que la electricidad cambiante creaba un patrón en una placa giratoria recubierta de resina. Se empleó en el Observatorio de Kew y el Observatorio Real de Greenwich en la década de 1840 para crear registros de variaciones en la electricidad atmosférica. En 1845, Ronalds inventó un medio fotográfico para registrar la electricidad atmosférica. La superficie fotosensible se jaló lentamente más allá del diafragma de apertura de la caja de la cámara, que también albergaba un electrómetro, y capturó los movimientos en curso de los índices del electrómetro como un rastro. Kelvin usó medios fotográficos similares para su electrómetro de cuadrante (ver arriba) en la década de 1860.

Electrómetros modernos

Un electrómetro moderno es un voltímetro electrónico de alta sensibilidad cuya impedancia de entrada es tan alta que la corriente que fluye hacia él se puede considerar, para la mayoría de los propósitos prácticos, como cero. El valor real de la resistencia de entrada para los electrómetros electrónicos modernos es de alrededor de 10¹⁴Ω, en comparación con alrededor de 10¹⁰Ω para los nanovoltímetros. Debido a la impedancia de entrada extremadamente alta, se deben aplicar consideraciones de diseño especiales (como pantallas accionadas y materiales de aislamiento especiales) para evitar fugas de corriente.

Entre otras aplicaciones, los electrómetros se utilizan en experimentos de física nuclear, ya que pueden medir las diminutas cargas que deja en la materia el paso de la radiación ionizante. El uso más común de los electrómetros modernos es la medición de la radiación con cámaras de ionización, en instrumentos como los contadores geiger.

Electrómetros de caña vibrante

Los electrómetros de caña vibrante utilizan un condensador variable formado entre un electrodo móvil (en forma de caña vibrante) y un electrodo de entrada fijo. A medida que varía la distancia entre los dos electrodos, la capacitancia también varía y la carga eléctrica entra y sale del capacitor. La señal de corriente alterna producida por el flujo de esta carga se amplifica y se usa como un análogo del voltaje de CC aplicado al capacitor. La resistencia de entrada de CC del electrómetro está determinada únicamente por la resistencia de fuga del condensador y, por lo general, es extremadamente alta (aunque su impedancia de entrada de CA es menor).

Para mayor comodidad de uso, el conjunto de lengüeta vibratoria a menudo se conecta mediante un cable al resto del electrómetro. Esto permite ubicar una unidad relativamente pequeña cerca de la carga que se va a medir, mientras que la unidad amplificadora y de lengüeta mucho más grande se puede ubicar donde sea conveniente para el operador.

Electrómetros de válvula

Los electrómetros de válvula utilizan un tubo de vacío especializado (válvula termoiónica) con una ganancia (transconductancia) y una resistencia de entrada muy altas. Se permite que la corriente de entrada fluya hacia la rejilla de alta impedancia, y el voltaje así generado se amplifica enormemente en el circuito del ánodo (placa). Las válvulas diseñadas para uso con electrómetro tienen corrientes de fuga tan bajas como unos pocos femtoamperios (10⁻¹⁵ amperios). Estas válvulas deben manipularse con guantes, ya que las sales que quedan en la envoltura de vidrio pueden proporcionar vías de fuga para estas pequeñas corrientes.

En un circuito especializado llamado triodo invertido, las funciones del ánodo y la rejilla se invierten. Esto coloca el electrodo de control a una distancia máxima de la región de carga espacial que rodea el filamento, minimizando la cantidad de electrones recolectados por el electrodo de control y, por lo tanto, minimizando la corriente de entrada.

Electrómetros de estado sólido

Los electrómetros más modernos consisten en un amplificador de estado sólido que utiliza uno o más transistores de efecto de campo, conexiones para dispositivos de medición externos y, por lo general, una pantalla o conexiones de registro de datos. El amplificador amplifica las corrientes pequeñas para que sean más fáciles de medir. Las conexiones externas suelen tener un diseño coaxial o triaxial y permiten la conexión de diodos o cámaras de ionización para medir la radiación ionizante. Las conexiones de visualización o registro de datos permiten al usuario ver los datos o grabarlos para su posterior análisis. Los electrómetros diseñados para su uso con cámaras de ionización pueden incluir una fuente de alimentación de alto voltaje, que se utiliza para polarizar la cámara de ionización.

Los electrómetros de estado sólido suelen ser dispositivos multipropósito que pueden medir voltaje, carga, resistencia y corriente. Miden tensión mediante "balanceo de tensión", en el que se compara la tensión de entrada con una fuente de tensión de referencia interna mediante un circuito electrónico con una impedancia de entrada muy alta (del orden de 10¹⁴ Ω). Un circuito similar modificado para actuar como un convertidor de corriente a voltaje permite que el instrumento mida corrientes tan pequeñas como unos pocos femtoamperios. Combinado con una fuente de tensión interna, el modo de medida de corriente se puede adaptar para medir resistencias muy altas, del orden de 10¹⁷ Ω. Finalmente, mediante el cálculo de la capacitancia conocida del terminal de entrada del electrómetro, el instrumento puede medir cargas eléctricas muy pequeñas, hasta una pequeña fracción de picoculombio.