Виміряйте напругу без струму

Припустимо, у мене є конденсатор, і я хочу спостерігати занепад його заряду. Як я можу це зробити, не впливаючи на його швидкість розряду через вимірювання?

АФАІК типовий вольтметр проводить струм через відомий опір для визначення напруги, але в процесі цього він розряджатиме вимірюваний конденсатор. Зі збільшенням складності можна знизити струм, необхідний для точного вимірювання, а потім зменшити частоту вимірювань, але в межах меж вимірювання все одно будуть зливати деякі напругу.

У гідравлічній аналогії можна виміряти тиск (напругу), поставивши пружинний манометр на поршень, забитий двома сторонами резервуара. Жодна вода не тече з однієї сторони на іншу, але ми отримуємо постійне зчитування тиску.

Так чи є лічильник, механізм або схема, яка може це зробити для напруги на конденсаторі чи іншому джерелі живлення?

Окрім акуратних фізичних рішень, практичний спосіб зробити це з дуже низьким вхідним струмом зміщення вхідного струму, що працює в буферній конфігурації. Один з таких підсилювачів з правильно розробленою схемою може привести до одноцифрового фемтоамперного струму з вашого ковпачка, що робить занепокоєння набагато незначними, особливо якщо підключити підсилювач до ковпачка лише під час вимірювання.

Аналогічна легенда Боб Піз описує вимірювання витоку поліпропіленової кришки за допомогою цього методу:

Тепер я заряджаю кілька моїх улюблених конденсаторів низької витоку (наприклад, поліпропілен Panasonic 1 мкФ) до 9,021 В постійного струму (випадкова напруга) протягом години. Я прочитаю VOUT з моїм улюбленим послідовником коефіцієнта посилення одиниці з високим входом (LMC662, Ib приблизно 0,003 pA) та буфером, який перетворюється на мій улюблений шестизначний цифровий вольтметр (DVM) (Agilent / HP34401A) і відстежувати VOUT раз a день протягом декількох днів.

[...]

Day 0: 9.0214 V
Day 1: 9.01870 V
Day 2: 9.01756 V
Day 6: 9.0135 V
Day 7: 9.0123 V
Day 8: 9.01018 V
Day 9: 9.00941 V
Day 11: 9.00788 V
Day 12: 9.00544 V
Day 13: 9.00422 V

Перший день після замочування протягом години їх швидкість витоку становила 2,7 мВ на добу. Непогано.

Якщо вам потрібно автоматизувати таку настройку, хороша старомодна реле очерету має в основному мізерний витік (краще, ніж навіть сучасні твердотільні аналогові вимикачі) і може бути використана для короткого підключення підсилювача до тестуваного конденсатора, щоб зробити зчитування .

Зазвичай для вимірювання електричного поля потрібно електрометр . Старі електроскопи з золотистими листками діють за допомогою статичного відштовхування між подібними зарядами, і якби виготовлені з ідеальних матеріалів, не витікав би жоден заряд.

Однак, коли ти по-справжньому зацікавився різницею між крихітним струмом і потоком без струму, з’являється велика кількість проблем. Весь ваш експериментальний апарат має кінцевий (але дуже великий) опір. Електрони будуть щасливо тунелями короткий шлях через тверді предмети. Альфа-розпад у матеріалах створює заряд. Бродячий заряд пливе на вітрах, або напруга викликається проходженням полів.

Легендарний Боб Піз має кілька хороших статей на цю тему: Що все це за тефлонові речі? і що це все за речі Femtoampere?

Кращі методи залежатимуть від різниці напруги, яку ви намагаєтеся виміряти. Те саме стосується вашої гідравлічної аналогії.

Але ваша гідравлічна аналогія повністю виходить з іншого боку. Прискорювальні сили, що діють на електрони в провіднику, викликані дуже малим зарядом. Я не думаю, що ви відчуваєте, як мало електронів потрібно на поверхні провідника, щоб прискорити значну середню швидкість для зарядів у проводі. Якщо ви зігніть дріт у U-подібну форму, на вигин може знадобитися лише один або два зайвих електрона, щоб повністю перенаправити струми струму.

Ви можете виміряти великі перепади напруги, тому що величина різниці зарядів досягає тієї точки, коли чутливі (наприклад, кульові кульки на волосистій нитці) можуть успішно застосовуватися. У цьому випадку вплив струму настільки ж незначний, як і моментний вплив вашого гідравлічного прикладу через дуже незначні прогини поршня.

Для невеликих напруг це не працює, оскільки різниця заряду настільки невелика, і будь-яке кінцеве відстань від оголеної поверхні провідника значно зменшує крихітну силу.

$\frac{\textrm{volts}}{\textrm{meter}}$$\frac{\textrm{Newton}}{\textrm{Coulomb}}$$1.346\times 10^{10}\:\frac{\textrm{Coulomb}}{\textrm{m}^3}$$4.5\times 10^{-3}\:\frac{\textrm{m}^2}{\textrm{V-s}}$$1\:\textrm{mm}^2$$300\:\textrm{mA}$$5\:\frac{\mu\textrm{V}}{\textrm{mm}}$

Різниця заряду на розумних відстанях, необхідних для перешкоди тому, що струм є незначним (він повністю знаходиться на голій поверхні провідника), і ви не зможете встановити прилад для вимірювання його на будь-якій кінцевій відстані. Тільки спосіб зробити цю роботу , щоб додати провідник до поверхні цього іншого провідника в якому - то момент і дозволити цим крихітним відмінності заряду діяти від їх атомних масштабів , так що їх неймовірні сили можуть штовхнути електрони в вашому вимірі приладу , а також. Коротше кажучи, потрібно дозволити течії струму, оскільки це IS найчутливіший доступний для вас спосіб (на невоєнному рівні бюджету) для здійснення цих вимірювань тиску в електроніці.

Приємно думати про аналогії, звичайно. Але, як ви вже знаєте, масштаб також має значення. Існує величезна різниця між відстанями, що розділяють галактики, і силами, які значущо діють на цьому рівні, і відстанями, що розділяють атоми, і силами, які значущо діють на цьому рівні. Якщо говорити про більш тактильний рівень, про який ми можемо думати, люди, існує величезна різниця між силами, які важливі для нас для ходьби та отримання тяги, і силами, які діють на плодових мух, які легко приземляються на поверхні стін і стеля, оскільки гравітація набагато менш важлива в їх масштабі порівняно зі статичним зарядом і шорсткістю для них.

Масштаб також має значення.

Тож аналогія тут провалюється. В електроніці найкращим способом вимірювання цих надзвичайно делікатних і крихітних сил, необхідних для стримування практичних струмів в ланцюгах, є створення системи вимірювань, яка може реагувати на них. Це означає, що дозволяє впливати на струм. Немає нічого більш чутливого від цього.

З цього приводу я повернусь до того, що ви все ще можете проводити вимірювання без струму, якщо і лише якщо різниці напруги досить великі, щоб встановити достатню різницю заряду для вимірювання.

Існує кілька способів вимірювання напруги без потоку струму.

Перше, що спадає на думку, - це п'єзоелектричний ефект. Вам потрібно буде передати достатній заряд від вашого конденсатора, щоб зарядити кристал до тієї ж напруги, але після цього потоку струму не було б. Це найближча аналогія до вашого гідравлічного манометра; Ви б прочитали напругу від величини, яку згинає кристал.

Придумайте щось на зразок картриджа з кришталевим фонографом. Рухи від десятків до сотень мікрон призводять до напруги на порядок мілівольт, і цей ефект працює в зворотному напрямку. Очевидно, вам знадобиться якийсь мікроскоп, щоб виявити рух - все, від звичайного оптичного мікроскопа до якогось тунельно-струмового мікроскопа, який був би дуже чутливий.

Для другого методу знайдіть оригінальне визначення потенціометра , яке стосувалося системи, яка містила не тільки тритермінальний змінний резистор, з яким ми всі знайомі, але і точну опорну напругу та гальванометр для вимірювання струму .

За визначенням, струм через гальванометр дорівнює нулю, коли резистор встановлений на невідому напругу.

Очевидно, що використовувати потенціометр для вимірювання саморозряду конденсатора проблематично, адже як тільки напруга конденсатора трохи знизиться, потенціометр сам почне подавати струм для його зарядки. Тому вам доведеться постійно регулювати резистор, щоб гальванометр не був нульовим.

Звичайно, ви можете просто дозволити системі прийти в рівновагу і прочитати струм витоку конденсатора безпосередньо з гальванометра, якщо припустити, що він має калібровану шкалу.

Якщо ваша напруга досить висока, можна скористатися фельд-млином.

Фізик тут, напевно, збирається сміятися з веб-сайту SE за цю теоретичну відповідь, але ось:

Чому б не виміряти струм непертубативно? Ідеї:

1. Покладіть амперметр на одну ніжку конденсатора. Інтегруйте струм у часі.
2. Зберіть втрачений заряд на набагато більший конденсатор, який постійно контролюється.
3. Виміряйте електричне поле всередині конденсатора (припускаючи паралельні пластини або іншу доступну геометрію).

Багато манометри низького тиску розраховують на іонізацію всього декількох атомів в секунду і вимірюють струм, викликаний тепер безвільними електронами, що потрапляють на катод. Чому б не зробити зворотну і не використовувати напругу над зарядженим конденсатором для відхилення іонів у високому вакуумі та вимірювання їх зміни траєкторії?

Ви можете використовувати AD549 (коштує близько 30 EUR) як послідовник посилення єдності. Вхідний опір більший, ніж питомий опір стандартної ізоляції дроту або стандартного матеріалу ПХБ у типовому контурі.

Примітка. На таблиці даних AD549 (2014) стор. 9 є помилка друку, вона повинна бути шпилькою 6, де друкується штифт 5.

Ви повинні шукати кейтлі (зараз Тектронікс) на низьких токових вимірах. На жаль, веб-сайт настільки непривітний для користувачів, що я не знайшов способу створити посилання.

Якщо вам потрібно щось розумніше, можна прикласти напругу до конденсатора і відрегулювати його, щоб не було струму. Але це не банально і має сенс лише в лабораторних умовах, з дуже дорогими проводами з низьким рівнем шуму, хорошим екрануванням, стабільною температурою ...

Подивіться в посібниках з

• Нановольтметр Keithley Модель 2182A
• Мікро-ом-вимірювач Keysight NanoVolt 34420A

$\Omega$$\Omega$

$I = V_{Shunt}/R_{Shunt}$

Вимірювання конденсатора напруги високим імпедансним вимірювачем призведе до виходу заряду з конденсатора і в лічильник. Від того, чи буде це перекос ваших результатів, залежить від решти ланцюга і того, що ви намагаєтеся виміряти.

Зауважте, що справжні конденсатори не є ідеальними, і вони з часом розряджатимуться природним шляхом. Залежно від типу конденсатора ця саморозрядка є значною чи ні. Високоякісні плівкові конденсатори дуже стабільні і будуть заряджати години або дні залежно від обставин. Електролітика алюмінію, не так багато.

$\Omega$$\Omega$

Виміряйте миттєву напругу на кришці за допомогою осцилографа з високим вхідним опором, це буде досить добре для практичних цілей.