Electrómetro

El electroscopio de lámina 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 consta de dos láminas delgadas de oro suspendidas de un electrodo . Cuando el electrodo se carga por inducción o por contacto, las láminas 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 láminas, se pueden pegar trozos de papel de estaño, de modo que cuando las láminas divergen completamente, pueden descargarse en el suelo. Las láminas 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 radiación ionizante, como se ve en el electrómetro de fibra de cuarzo y el medidor de lluvia radiactiva de Kearny .

Este tipo de electroscopio suele funcionar como indicador y no como instrumento de medición, aunque puede calibrarse. Ferdinand Braun inventó un electrómetro calibrado con un indicador de aluminio más robusto, que describió por primera vez en 1887. Según Braun, el electrómetro estándar de lámina de oro funciona bien hasta unos 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» acabó refiriéndose a la versión de Kelvin, inicialmente se utilizó para describir un dispositivo más sencillo. Su cuerpo consiste en un vástago vertical de madera fijado a un semicírculo de marfil con marcas angulares. Una ligera bola de corcho cuelga de un hilo que pivota en el centro del semicírculo y entra en contacto con el vástago. Cuando el instrumento se coloca sobre un cuerpo cargado, el vástago y la bola se cargan y se repelen. La magnitud de la repulsión se cuantifica midiendo el ángulo entre el hilo y el vástago con respecto al semicírculo, si bien el ángulo medido no es directamente proporcional a la carga. ^{[ 5 ]} Entre los primeros inventores se encuentran William Henley (1770) y Horace-Bénédict de Saussure . ^{[ 4 ]}

La torsión se utiliza para obtener una medición más precisa que la repulsión de láminas de oro o bolas de corcho. Consiste en un cilindro de vidrio con un tubo de vidrio en la parte superior. En el eje del tubo hay un hilo de vidrio, cuyo extremo inferior 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. Esta se denomina varilla portadora.

Si la bola inferior de la varilla portadora está cargada al introducirla en la abertura, repelerá una de las bolas móviles del interior. Un índice y una escala (no mostrados en la imagen) están fijados a la parte superior de la varilla de vidrio giratoria. El número de grados de giro necesarios para que las bolas vuelvan a juntarse es directamente proporcional a la carga de la bola de la varilla portadora.

Francis Ronalds , el primer director del Observatorio de Kew , introdujo importantes mejoras en la balanza de torsión de Coulomb alrededor de 1844, y el instrumento modificado fue comercializado por fabricantes de instrumentos londinenses. ^{[ 6 ]} Ronalds empleó una delgada aguja suspendida en lugar de la barra de goma laca y sustituyó la varilla portadora por una pieza fija en el plano de la aguja. Ambas eran metálicas, al igual que el cable de suspensión y su tubo circundante, de modo que la aguja y la pieza fija podían cargarse directamente mediante conexiones de cable. Ronalds también empleó una jaula de Faraday y experimentó con la fotografía para registrar las lecturas de forma continua. Fue el precursor del electrómetro de cuadrante de Kelvin (que se describe más adelante).

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

El electrómetro de Bohnenberger, desarrollado por JGF von Bohnenberger a partir de una invención de TGB Behrens, ^{[ 1 ]} consiste en una sola lámina de oro suspendida verticalmente entre el ánodo y el cátodo de una pila seca . Cualquier carga aplicada a la lámina de oro provoca que se mueva hacia uno u otro polo; de este modo, se puede determinar el signo de la carga, así como su magnitud aproximada. ^{[ 7 ]}

También conocidos como "electrómetros de disco atraído", ^{[ 1 ]} los electrómetros de atracción son balanzas sensibles que miden la atracción entre discos cargados. Se le atribuye a William Snow Harris la invención de este instrumento, que fue mejorado posteriormente por Lord Kelvin .

Desarrollado por Lord Kelvin , este es el electrómetro mecánico más sensible y preciso. El diseño original utiliza un sector ligero de aluminio suspendido dentro de un tambor dividido 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 por un pequeño espejo fijado 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 pueden conectarse externamente de la forma diagonal convencional (como se muestra) o en un orden diferente para aplicaciones específicas.

Frederick Lindemann desarrolló una versión más sensible del electrómetro de cuadrante . Este 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. Inicialmente utilizado 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 se alojaban dentro de una jaula, a menudo denominada "jaula para pájaros". Se trataba de una especie de jaula de Faraday que protegía el instrumento de las cargas electrostáticas externas.

Las lecturas de electricidad se pueden registrar continuamente con un dispositivo conocido como electrógrafo. Francis Ronalds creó un electrógrafo primitivo 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 en el Real Observatorio de Greenwich en la década de 1840 para crear registros de variaciones en la electricidad atmosférica . ^{[ 6 ]} En 1845, Ronalds inventó un método fotográfico para registrar la electricidad atmosférica. La superficie fotosensible se deslizaba lentamente por el 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 un método fotográfico similar para su electrómetro de cuadrante (véase más arriba) en la década de 1860.

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 ambos electrodos, la capacitancia también varía, lo que provoca el flujo de carga eléctrica hacia dentro y hacia fuera del condensador. La señal de corriente alterna producida por este flujo de carga se amplifica y se utiliza como análogo de la tensión continua aplicada al condensador. La resistencia de entrada de CC del electrómetro está determinada únicamente por la resistencia de fuga del condensador y suele ser extremadamente alta (aunque su impedancia de entrada de CA es menor).

Para mayor comodidad de uso, el conjunto de láminas vibratorias suele conectarse 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 de excitación de láminas y amplificación, mucho más grande, puede ubicarse donde resulte conveniente para el operador. ^{[ 11 ]}

Los electrómetros de válvula utilizan un tubo de vacío especializado (válvula termoiónica) con una ganancia ( transconductancia ) y resistencia de entrada muy elevadas. La corriente de entrada fluye hacia la rejilla de alta impedancia, y el voltaje generado se amplifica enormemente en el circuito del ánodo ( placa ). Las válvulas diseñadas para electrómetros presentan 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 constituir vías de fuga para estas diminutas corrientes. ^{[ 12 ]}

En un circuito especializado llamado triodo invertido , se invierten las funciones del ánodo y la rejilla. Esto sitúa el electrodo de control a la máxima distancia de la región de carga espacial que rodea el filamento, minimizando así el número de electrones recolectados por dicho electrodo y, por consiguiente, la corriente de entrada. ^{[ 13 ]}

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 para el registro de datos. El amplificador amplifica las corrientes pequeñas para facilitar su medición. Las conexiones externas suelen ser coaxiales o triaxiales y permiten la conexión de diodos o cámaras de ionización para la medición de radiación ionizante . La pantalla o las conexiones para el registro de datos permiten al usuario visualizar 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 multifuncionales capaces de medir voltaje, carga, resistencia y corriente. Miden el voltaje mediante el "equilibrio de voltaje", en el que el voltaje de entrada se compara con una fuente de voltaje de referencia interna mediante un circuito electrónico con una impedancia de entrada muy alta (del orden de 10¹⁴ ^Ω ). Un circuito similar, modificado para funcionar como convertidor de corriente a voltaje, permite al instrumento medir corrientes tan pequeñas como unos pocos femtoamperios. Combinado con una fuente de voltaje interna, el modo de medición de corriente puede adaptarse para medir resistencias muy altas , del orden de ^{10¹⁷ 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 picoculombio.