什么是靜電計
編輯靜電計是一個電測量儀器電荷或電勢差。有很多不同類型,從歷史悠久的手工機械儀器到高精度電子設備。基于真空管或固態技術的現代靜電計可用于以極低的漏電流(低至1?飛安)進行電壓和電荷測量。一種更簡單但相關的儀器,即驗電器,其工作原理類似,但僅指示電壓或電荷的相對大小。
歷史靜電計
編輯金箔驗電器
金葉驗電器是用來指示電荷的儀器之一。它仍然用于科學演示,但在大多數應用中已被電子測量儀器所取代。該儀器由從電極上懸垂的兩片金箔薄片組成。當電極通過感應或接觸方式充電時,葉片會吸收相似的電荷,并且由于庫侖力而相互排斥。它們的分離直接表明它們上存儲的凈電荷。在葉子對面的玻璃上,可能會粘貼錫箔片,以便當葉子完全散開時,它們可能會排入地下。可以將葉片封閉在玻璃信封中以保護它們免受氣流侵蝕,可以抽空信封以xxx程度地減少電荷泄漏。電荷泄漏的另一個原因是電離輻射,因此要防止這種情況,靜電計必須被鉛屏蔽層包圍。如石英纖維靜電計和Kearny輻射計中所見,此原理已用于檢測電離輻射。
盡管可以校準,這種類型的驗電器通常充當指示器而不是測量裝置。該百靈驗電器替換的金箔驗電器用于更精確的測量。
該儀器是18世紀幾位研究人員開發的,其中包括亞伯拉罕·本內特(Abraham Bennet(1787)和亞歷山德羅·沃爾塔(Alessandro Volta)。
早期象限靜電計
雖然“象限靜電計”一詞最終指的是開爾文的版本,但該詞最初是用來描述一個更簡單的設備。它由一根直立的木桿組成,并固定在半圓的象牙上。輕便的軟木球從中心懸掛在樞軸上。將器械放在帶電的身體上時,莖桿會參與并排斥軟木塞球。盡管測量的角度與電荷不成正比,但可以從帶刻度的半圓上讀出排斥的量。早期的發明者包括William Henley(1770)和Horace-Bénédictde Saussure。
庫侖靜電計
與金箔或軟木球的排斥作用相比,扭轉作用使測量更靈敏。它由一個玻璃瓶和一個玻璃管組成。在管子的軸線上是一根玻璃絲,其下端裝有一根口香糖,每根末端都有一個鍍金的髓球。通過圓柱體上的另一個孔,可以插入另一個帶有鍍金球的口香糖棒。這稱為承載桿。
如果托架桿的下部球進入孔中時被充電,這將排斥內部的一個可移動球。刻度和刻度尺連接到可扭曲的玻璃棒的頂部。扭轉以使球重新聚集在一起的度數與承載桿球的電荷量正好成比例。
邱天文臺的首任主任弗朗西斯·羅納茲(Francis Ronalds)在1844年左右對庫侖扭擺進行了重大改進,改良后的儀器由倫敦儀器制造商出售。羅納德斯使用細的懸浮針而不是膠棒,并用在針平面上的固定件代替了承載桿。兩者都是金屬,懸掛線及其周圍的管子也是金屬,因此針和固定件可以通過電線直接充電。羅納德斯還雇用了法拉第籠并試穿攝影以連續記錄讀數。它是開爾文象限靜電計的先驅。
珀耳帖靜電計
由Peltier開發,它使用一種電磁羅盤來通過用磁針平衡靜電力來測量偏轉。
Bohnenberger靜電計
由TGF Behrens發明的JGF von Bohnenberger開發的Bohnenberger靜電計由垂直懸掛在干樁的陽極和陰極之間的單個金箔組成。傳遞給金箔的任何電荷都會使它朝一個或另一個極移動;因此,可以測量電荷的符號及其近似大小。
吸引力靜電計
吸引靜電計也稱為“吸引盤靜電計”,是測量帶電磁盤之間的吸引力的靈敏天平。威廉·斯諾·哈里斯(William Snow Harris)以該樂器的發明而著稱,開爾文勛爵(Lord Kelvin)對其進行了進一步改進。
開爾文象限靜電計
由開爾文勛爵(Lord Kelvin)開發,這是所有機械靜電計中最靈敏,最準確的。原始設計使用輕質鋁制扇形懸掛在一個分為四段的鼓內。這些線段是絕緣的,并且成對斜地連接。帶電的鋁扇形被一對扇形吸引,并被另一扇扇形排斥。就像在檢流計中一樣,通過從附著在扇形體上的小鏡子反射的光束觀察到偏轉。右邊的雕刻顯示該靜電計的形式略有不同,使用四個平板而不是閉合的線段。這些板可以按常規的對角線方式從外部連接,也可以按特定應用的不同順序連接。
弗雷德里克·林德曼(Frederick Lindemann)開發了一種更靈敏的象限靜電計形式。它使用金屬涂層石英纖維代替鋁材。通過在顯微鏡下觀察纖維的運動來測量撓度。最初用于測量光星,它是用于該紅外線檢測在初期的飛機第二次世界大戰。
一些機械靜電計裝在一個籠子里,通常被稱為“鳥籠”。這是法拉第籠的一種形式,可以保護儀器免受外部靜電的影響。
電子照相儀
可以使用稱為電圖的設備連續記錄電讀數。弗朗西斯·羅納茲(Francis Ronalds)于1814年左右創作了一部早期的電子書,其中不斷變化的電在旋轉的樹脂涂層板上形成了圖案。它于1840年代在Kew天文臺和格林威治皇家天文臺受雇,以創建大氣電變化的記錄。1845年,羅納德斯(Ronalds)發明了記錄大氣電力的照相方法。的光敏表面慢慢地拉過相機盒的孔徑光闌,后者還裝有一個靜電計,并記錄了靜電計索引的持續運動。開爾文在1860年代對象限靜電計使用了類似的照相方式。
現代靜電計
編輯現代靜電計是一種高度靈敏的電子電壓表,其輸入阻抗是如此之高,以至于在大多數實際應用中,可以認為流入其中的電流為零。現代電子靜電計的輸入電阻的實際值是大約10?14?Ω,與大約10?10?Ω為納伏。由于輸入阻抗極高,因此必須采取特殊的設計注意事項來避免泄漏電流,例如驅動屏蔽和特殊的絕緣材料。
除其他應用外,靜電計還用于核物理實驗,因為它們能夠測量通過電離輻射而留在物質中的微小電荷。現代靜電計的最常見用途是在諸如蓋革計數器等儀器中用電離室測量輻射。
振動簧片靜電計
振動片靜電計使用在移動電極(以振動片形式)和固定輸入電極之間形成的可變電容器。當兩個電極之間的距離變化時,電容也會變化,并且電荷會被強制進出電容器。由該電荷的流動產生的交流信號被放大并用作施加到電容器的直流電壓的模擬信號。靜電計的直流輸入電阻僅由電容器的泄漏電阻決定,并且通常極高(盡管其交流輸入阻抗較低)。
為了使用方便,振動簧片組件通常通過電纜連接到靜電計的其余部分。這允許相對較小的單元位于要測量的電荷附近,而更大的簧片驅動器和放大器單元可以位于對操作員方便的任何位置。
閥門靜電計
閥靜電計使用專用的真空管(熱電子閥),具有很高的增益(跨導)和輸入電阻。輸入電流被允許流入高阻抗柵極,并且由此產生的電壓在陽極(極板)電路中被xxx放大。設計用于靜電計的閥的泄漏電流低至幾飛安(10?-15安培)。此類閥門必須戴手套的手操作,因為殘留在玻璃外殼上的鹽會為這些微小電流提供泄漏路徑。
在稱為反向三極管的專用電路中,陽極和柵極的作用相反。這使控制電極與燈絲周圍的空間電荷區相距xxx距離,從而使控制電極收集的電子量最小,從而使輸入電流最小。
固態靜電計
最先進的靜電計包括使用一個或多個場效應晶體管的固態?放大器,用于外部測量設備的連接以及通常是顯示和/或數據記錄的連接。放大器會放大小電流,以便于測量。外部連接通常為同軸或三軸設計,并允許連接二極管或電離室以進行電離輻射測量。通過顯示或數據記錄連接,用戶可以查看或記錄數據以供以后分析。設計用于電離室的靜電計可以包括高壓電源,用于偏壓電離室。
固態靜電計通常是可以測量電壓,電荷,電阻和電流的多功能設備。它們通過“電壓平衡”來測量電壓,其中使用具有非常高的輸入阻抗(大約10?14?ohms)的電子電路,將輸入電壓與內部參考電壓源進行比較。修改后的類似電路可以用作電流-電壓轉換器,從而使儀器能夠測量小至幾個飛安的電流。結合內部電壓源,電流測量模式可適用于測量非常高的電阻,約為10?17?ohms。最后,根據已知電容進行計算在靜電計的輸入端子上,該儀器可以測量很小的電荷,甚至小至皮庫侖的一小部分。
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