Un electrómetro es un instrumento eléctrico para medir la carga eléctrica o la diferencia de potencial eléctrico . [1] Hay muchos tipos diferentes, que van 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 voltaje 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.
El electroscopio de hoja de oro fue uno de los instrumentos utilizados para indicar la carga eléctrica. [1] Todavía se utiliza para demostraciones científicas, pero ha sido reemplazado en la mayoría de las aplicaciones por instrumentos de medición electrónicos. El instrumento consiste en dos hojas delgadas 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 entre sí debido a la fuerza de Coulomb . Su separación es una indicación directa de la carga neta almacenada en ellas. En el vidrio opuesto a las hojas, se pueden pegar trozos de papel de aluminio, de modo que cuando las hojas diverjan completamente puedan descargarse en el suelo. Las hojas pueden encerrarse en una envoltura de vidrio para protegerlas de las corrientes de aire, y la envoltura puede evacuarse para minimizar la fuga de carga. Este principio se ha utilizado para detectar la radiación ionizante, como se ve en el electrómetro de fibra de cuarzo y el medidor de precipitación de Kearny .
Este tipo de electroscopio actúa normalmente como indicador y no como dispositivo de medición, aunque puede calibrarse. Un electrómetro calibrado con un indicador de aluminio más robusto fue inventado por Ferdinand Braun y descrito por primera vez en 1887. Según Braun, el electrómetro de hoja 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 alcanzar una resolución de 10 V. [ 2] [3]
El instrumento fue desarrollado en el siglo XVIII por varios investigadores, entre ellos Abraham Bennet (1787) [4] y Alessandro Volta .
Aunque el término "electrómetro de cuadrante" se refería en última instancia a la versión de Kelvin, este término se utilizó por primera vez para describir un dispositivo más simple. [5] Consiste en un vástago de madera vertical, 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. Entre los primeros inventores se encuentran William Henley (1770) y Horace-Bénédict de Saussure . [4]
La torsión se utiliza para obtener una medida más sensible que la repulsión de las hojas de oro o de las 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, en cuyo extremo inferior hay una barra de laca con una bola de médula dorada en cada extremo. A través de otra abertura del cilindro se puede introducir otra varilla de laca con bolas doradas. Esta se llama varilla 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 se muestran en la imagen) están adheridos a la parte superior de la varilla de vidrio giratoria. La cantidad de grados que se giran 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 Kew , realizó importantes mejoras en la balanza de torsión de Coulomb alrededor de 1844 y el instrumento modificado fue vendido por los fabricantes de instrumentos de Londres. [6] Ronalds utilizó 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. Ambas eran de metal, al igual que la línea de suspensión y su tubo circundante, de modo que la aguja y la pieza fija pudieran cargarse directamente a través de conexiones de cable. Ronalds también empleó una jaula de Faraday y probó la fotografía para registrar las lecturas de forma continua. Fue el precursor del electrómetro de cuadrante de Kelvin (descrito a continuación).
Desarrollado por Peltier , utiliza una forma de brújula magnética para medir la desviación equilibrando la fuerza electrostática con una aguja magnética.
El electrómetro de Bohnenberger, desarrollado por J. G. F. von Bohnenberger a partir de una invención de T. G. B. Behrens, [1] consiste en una única hoja de oro suspendida verticalmente entre el ánodo y el cátodo de una pila seca . Cualquier carga que se imparta a la hoja de oro hace que ésta se desplace hacia uno u otro polo; de esta manera, se puede medir el signo de la carga, así como su magnitud aproximada. [7]
Los electrómetros de atracción , también conocidos como "electrómetros de disco atraído", [1] 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 posteriormente por 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 desde un pequeño espejo unido al sector, al igual que 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 de la manera 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 revestida de metal en lugar de un sector de aluminio. La desviación se mide observando el movimiento de la fibra bajo un microscopio. Inicialmente utilizado para medir la luz de las estrellas, [ cita requerida ] se empleó para la detección infrarroja [ cita requerida ] de aviones en las primeras etapas de la Segunda Guerra Mundial .
Algunos electrómetros mecánicos se alojaban dentro de una jaula, a la que a menudo se denominaba “jaula de pájaros”, una especie de jaula de Faraday que protegía al instrumento de las cargas electrostáticas externas.
Las lecturas de electricidad se pueden registrar de forma continua 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 Kew y el Observatorio Real de Greenwich en la década de 1840 para crear registros de variaciones en la electricidad atmosférica . [6] En 1845, Ronalds inventó medios fotográficos para registrar la electricidad atmosférica. La superficie fotosensible se tiraba lentamente más allá del diafragma de apertura de la caja de la cámara, que también albergaba un electrómetro, y capturaba los movimientos continuos de los índices del electrómetro como un rastro. [8] Kelvin utilizó medios fotográficos similares para su electrómetro de cuadrante (ver arriba) en la década de 1860.
Un electrómetro moderno es un voltímetro electrónico de alta sensibilidad cuya impedancia de entrada es tan alta que la corriente que fluye a través de él puede considerarse, para la mayoría de los fines prácticos, como cero. El valor real de la resistencia de entrada para los electrómetros electrónicos modernos es de alrededor de 10 14 Ω, en comparación con alrededor de 10 10 Ω para los nanovoltímetros. [9] Debido a la impedancia de entrada extremadamente alta, se deben aplicar consideraciones de diseño especiales (como blindajes activados y materiales de aislamiento especiales) para evitar la corriente de fuga.
Entre otras aplicaciones, los electrómetros se utilizan en experimentos de física nuclear , ya que son capaces de medir las minúsculas cargas que quedan en la materia por 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 . [ cita requerida ]
Los electrómetros de lengüeta vibratoria utilizan un condensador variable formado entre un electrodo móvil (en forma de lengüeta vibratoria) y un electrodo de entrada fijo. A medida que varía la distancia entre los dos electrodos, también varía la capacitancia y se fuerza la entrada y salida de carga eléctrica del condensador. La señal de corriente alterna producida por el flujo de esta carga se amplifica y se utiliza como un análogo del voltaje de CC aplicado al condensador. 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 facilitar su uso, el conjunto de lengüeta vibratoria suele estar conectado mediante un cable al resto del electrómetro. Esto permite colocar una unidad relativamente pequeña cerca de la carga que se va a medir, mientras que la unidad de lengüeta y amplificador, mucho más grande, puede ubicarse donde sea conveniente para el operador. [10]
Los electrómetros de válvula utilizan un tubo de vacío especializado (válvula termoiónica) con una ganancia ( transconductancia ) y una resistencia de entrada muy altas. La corriente de entrada puede fluir hacia la rejilla de alta impedancia y el voltaje así generado se amplifica enormemente en el circuito del ánodo ( placa ). Las válvulas diseñadas para el uso en electrómetros 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. [11]
En un circuito especializado llamado triodo invertido , se invierten los roles del ánodo y la rejilla. Esto coloca al 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. [12]
Los electrómetros más modernos constan de 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 y/o conexiones de registro de datos. El amplificador amplifica pequeñas corrientes para que se puedan medir más fácilmente. Las conexiones externas suelen ser de diseño coaxial o triaxial y permiten la conexión de diodos o cámaras de ionización para la medición de la radiación ionizante . Las conexiones de pantalla o de registro de datos permiten al usuario ver los datos o registrarlos 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 el voltaje mediante un "equilibrio de voltaje", en el que el voltaje de entrada se compara con una fuente de voltaje de referencia interna utilizando un circuito electrónico con una impedancia de entrada muy alta (del orden de 10 14 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 voltaje interna, el modo de medición de corriente se puede adaptar para medir resistencias muy altas , del orden de 10 17 Ω. Finalmente, mediante el cálculo a partir de la capacitancia conocida del terminal de entrada del electrómetro, el instrumento puede medir cargas eléctricas muy pequeñas , hasta una pequeña fracción de un picoculombio.
libro de texto sobre química de john william draper.
