Электрометр — Electrometer

Электрометр — Electrometer

An электрометр является электрические прибор для измерения электрический заряд или электрические разность потенциалов. [1] Существует множество различных типов, от старинных механических инструментов ручной работы до высокоточных электронных устройств. Современные электрометры на базе вакуумная труба или же твердотельная технология может использоваться для измерения напряжения и заряда с очень низкими токами утечки, вплоть до 1 фемтоампер. Более простой, но связанный инструмент, электроскоп, работает по схожим принципам, но показывает только относительные величины напряжений или зарядов.

Содержание

Электроскоп с позолотой

Электроскоп с золотым листом был одним из инструментов, используемых для определения электрического заряда. [1] Он все еще используется для научных демонстраций, но в большинстве приложений его заменили электронные измерительные приборы. Инструмент состоит из двух тонких листов золотой фольги, подвешенных к электрод. Когда электрод заряжается индукция или при контакте листья приобретают одинаковые электрические заряды и отталкиваются друг от друга из-за Кулоновская сила. Их разделение является прямым показателем накопленного на них чистого заряда. На стекло напротив листьев можно наклеить кусочки оловянной фольги, чтобы, когда листья полностью расходятся, они могли попасть в землю. Листья могут быть заключены в стеклянный конверт для защиты от сквозняков, а конверт может быть эвакуирован для минимизации утечки заряда. Еще одна причина утечки заряда: ионизирующего излучения, поэтому для предотвращения этого электрометр должен быть окружен вести экранирование. [ нужна цитата ] Этот принцип использовался для обнаружения ионизирующего излучения, как показано на кварцевый волоконный электрометр и Измеритель радиоактивных осадков Кирни.

Этот тип электроскопа обычно действует как индикатор, а не как измерительный прибор, хотя его можно откалибровать. В Браун [ сомнительный – обсуждать ] электроскоп заменен [ когда? ] электроскоп с позолотой для более точных измерений. [ нужна цитата ]

Инструмент был разработан в 18 веке несколькими исследователями, среди которых Авраам Беннет (1787) [2] и Алессандро Вольта.

Ранний квадрантный электрометр

Хотя термин «квадрантный электрометр» в конечном итоге относился к версии Кельвина, этот термин впервые был использован для описания более простого устройства. [3] Он состоит из вертикального деревянного стержня, к которому прикреплен полукруг из слоновой кости. Из центра на стержне висит легкий пробковый шар. Когда инструмент помещается на заряженное тело, стержень участвует и отталкивает пробковый шарик. Величину отталкивания можно определить по градуированному полукругу, хотя измеренный угол не прямо пропорционален заряду. Среди первых изобретателей были Уильям Хенли (1770) и Гораций-Бенедикт де Соссюр. [2]

Кулоновский электрометр

Кручение используется для измерения большей чувствительности, чем отталкивание золотых листьев или пробковых шариков. Он состоит из стеклянного цилиндра со стеклянной трубкой наверху. В осях трубки — стеклянная нить, нижний конец которой удерживает полоску из жевательной резинки, с позолоченными пробковыми шариками на каждом конце. Через другое отверстие на цилиндре можно ввести еще один стержень из жевательной резинки с позолоченными шариками. Это называется несущей штангой.

Если нижний шар несущего стержня заряжается, когда он входит в отверстие, это отталкивает один из подвижных шариков внутри. Индекс и шкала (не изображены) прикреплены к верхней части поворотного стеклянного стержня. Число градусов, повернутых для того, чтобы шары снова собрались вместе, точно пропорционально количеству заряда шарика несущего стержня.

Фрэнсис Рональдс, первый директор Обсерватория Кью, внесла важные улучшения в кулоновские торсионные весы примерно в 1844 году, а модифицированный инструмент продавали лондонские производители инструментов. [4] Рональдс использовал тонкую подвешенную иглу, а не пластиковую пластину из жевательной резинки, и заменил стержень-носитель на неподвижную деталь в плоскости иглы. Оба были металлическими, как и подвесная линия и окружающая ее трубка, так что игла и фиксированная деталь могли заряжаться непосредственно через проводные соединения. Рональдс также нанял Клетка Фарадея и опробовала фотографию для непрерывной записи показаний. Это был предшественник квадрантного электрометра Кельвина (описанный ниже).

Электрометр Пельтье

Разработан ПельтьеЗдесь используется магнитный компас для измерения отклонения путем уравновешивания электростатической силы с помощью магнитной стрелки.

Электрометр Боненбергера

Электрометр Боненбергера, разработанный Дж. Г. Ф. фон Боненбергер из изобретения Т. Г. Б. Беренса, [1] состоит из одного сусального золота, подвешенного вертикально между анодом и катодом сухой ворс. Любой заряд, передаваемый золотому листу, заставляет его двигаться к тому или иному полюсу; таким образом, можно измерить знак заряда, а также его приблизительную величину. [5]

Электрометр притяжения

Также известен как «притягивающие дисковые электрометры», [1] Электрометры притяжения — это чувствительные весы, измеряющие притяжение между заряженными дисками. Уильям Сноу Харрис приписывают изобретение этого инструмента, который был дополнительно улучшен Лорд Кельвин.

Квадрантный электрометр Кельвина

Разработан Лорд Кельвин, это самый чувствительный и точный из всех механических электрометров. В оригинальной конструкции используется легкий алюминиевый сектор, подвешенный внутри барабана, разрезанного на четыре сегмента. Сегменты изолированы и попарно соединены по диагонали. Заряженный алюминиевый сектор притягивается к одной паре сегментов и отталкивается от другой. Отклонение наблюдается при отражении луча света от небольшого зеркала, прикрепленного к сектору, как в гальванометр. Гравировка справа показывает немного другую форму этого электрометра, использующую четыре плоские пластины, а не закрытые сегменты. Пластины могут быть подключены снаружи обычным диагональным способом (как показано) или в другом порядке для конкретных приложений.

Более чувствительный вид квадрантного электрометра был разработан Фредерик Линдеманн. В нем вместо алюминиевого сектора используется кварцевое волокно с металлическим покрытием. Прогиб измеряется путем наблюдения за движением волокна под микроскопом. Первоначально использовался для измерения звездного света, [ нужна цитата ] он использовался для инфракрасного обнаружения [ нужна цитата ] самолетов на ранних этапах Вторая Мировая Война.

Некоторые механические электрометры размещались внутри клетки, которую часто называют «птичьей клеткой». Это форма Клетка Фарадея это защищало инструмент от внешних электростатических зарядов.

Электрограф

Показания электроэнергии можно записывать непрерывно с помощью устройства, известного как электрограф. Фрэнсис Рональдс создал первый электрограф около 1814 года, в котором изменяющееся электричество создавало узор во вращающемся смолапластина с покрытием. Он работал в Обсерватория Кью и Королевская обсерватория, Гринвич в 1840-х годах для создания записей вариаций в атмосферное электричество. [4] В 1845 году Рональдс изобрел фотографические средства регистрации атмосферного электричества. В светочувствительная поверхность медленно протягивался мимо апертурной диафрагмы корпуса камеры, в которой также находился электрометр, и фиксировал текущие движения индексов электрометра в качестве следа. [6] Кельвин использовал аналогичные фотографические средства для своего квадрантного электрометра (см. Выше) в 1860-х годах.

Корпускулярно-волновой дуализм

Итак, свет может в любой момент времени вести себя как частица или волна, однако демонстрировать одно из двух состояний одновременно он не может. Если эксперимент требовал от него свойств волны, то свет вел себя как волна – и то же самое для частицы. Позже этот принцип стал известен как корпускулярно-волновой дуализм.

Эту по-настоящему странную картину в итоге удалось завершить французскому физику Луи де Бройлю в 1924 году. Если свет, который рассматривается как волна, может вести себя как поток частиц, то, возможно, частицы, например электроны, могут вести так, как если бы они были волнами.

Древние греки считали, что свет является формой огня, предполагая, что он направлялся из глаз к объектам, которые человек мог видеть.

По сути, концепция де Бройля иллюстрировала, насколько квантовая физика подрывала старые предположения, ведь составляющими веществами материи были электроны, или вещества, а фотоны образовывали невидимый свет. И тем не менее, при некоторых обстоятельствах они вели себя как волны, а при других – как частицы. Как только квантовый мир ворвался в мир классической физики, прежние различия стали менее определенными.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!

Между тем, идея о том, что электроны могут проявлять волновые свойства, отлично вписывалась в модель атома Нобелевского лауреата Нильса Бора. В ней электрон мог занимать только определенные орбитали вокруг ядра и прыгать между орбиталями в квантовых скачках при потере или получении энергии в виде фотона. Напомню, что структура волны электрона, окружающая ядро атома, также известна под названием «орбиталь».

Электронно-эмиссионные детекторы нейтронов (ЭДН).

Электронно-эмиссионные детекторы применяются для регистрации нейтронов. Принцип работы ЭДН достаточно прост и основан на свойстве приобретения зарядов противоположного знака элементами детектора. В результате вылета быстрых электронов из радиоактивного центрального электрода (эмиттера) он заряжается положительно, а оболочка детектора —отрицательно. Одно из основных достоинств ЭДН — отсутствие источника питания, без которого ионизационные камеры работать не могут.
Электроны образуются в веществе эмиттера в результате взаимодействия с нейтронами. Одним из возможных типов взаимодействия является (л, у)-реакция с веществом эмиттера с последующим образованием p-активного нуклида. Последний, распадаясь, становится источником электронов. Из сказанного ясно, что подобный вариант ЭДН, получивший название р-эмиссионного детектора нейтронов (БЭДН), имеет инерционность, определяемую периодом p-распада образующегося радиоактивного нуклида. Поэтому в качестве эмиттера используются вещества, образующие короткоживущие нуклиды.
Чувствительность БЭДН меньше чувствительности борных ионизационных камер и камер деления на 2—3 порядка. В результате ток от БЭДН, даже установленных в активную зону мощных реакторов, обычно не превышает 1—10 мкА. Это заставляет принимать специальные меры по подавлению различных электрических помех.

Таблица 10.4. Технические характеристики ЭДН

Присущего БЭДН недостатка — инерционности — нет у ЭДН, в которых электроны образуются мгновенно после захвата нейтрона в веществе эмиттера в результате взаимодействия захватного у-кванта с веществом самого эмиттера. Появление быстрого электрона может быть обусловлено либо внутренней конверсией 7-кванта, либо комптон- и фотоэффектом. В этом случае детектор можно назвать КЭДН. Такие детекторы безынерционны подобно ионизационным камерам, но ток от них на 3—4 порядка меньше, чем от ионизационных камер, и на 1—2 порядка меньше, чем от БЭДН, имеющих, например, родиевый эмиттер.
Простота конструкции ЭДН позволяет изготовлять их диаметром не более 2—3 мм, что особенно важно при использовании их для внутриреакторного контроля энергораспределения. Кроме того, применяя материалы эмиттера и коллектора с высокой температурой плавления и изоляцию из оксида магния, алюминия или бериллия,, удается создать высокотемпературные детекторы нейтронов, работающие при температурах до 700—800°С и при давлениях, равных нескольким сотням атмосфер.
Технические характеристики некоторых ЭДН приведены в табл. 10.4.
Все перечисленные выше детекторы вместе с регистрирующей аппаратурой использованы при проведении учебных и экспериментельных исследований на реакторе и уран-водных физических сборках.

Бонус: белорусская зона отчуждения

В апреле 2019 года белорусам надоело, что только украинцы водят экскурсии, поэтому они решили приоткрыть свою часть Чернобыльской зоны. Сейчас там работают два официальных турагентства: «Припять-тур» и «Поход в народ» . Так как в Беларуси нет ни Припяти, ни ЧАЭС, такие экскурсии дешевле ( от 70 долларов за один день) — при этом там всё равно можно посмотреть на заброшенные дома (и даже сделать фотографии, которые получится выдать за снимки из «правильной» зоны).

Кстати, раньше за проникновение за границу зоны отчуждения в Беларуси грозило уголовное наказание, так что мародёры успели разнести не все местные достопримечательности.