Đo điện áp không có dòng điện

Giả sử tôi có một tụ điện và tôi muốn quan sát sự phân rã điện tích của nó theo thời gian. Làm thế nào tôi có thể làm điều đó mà không ảnh hưởng đến tốc độ xả của nó thông qua đo lường?

AFAIK một vôn kế điển hình chạy dòng điện qua điện trở đã biết để xác định điện áp, nhưng trong quá trình này sẽ phóng điện tụ được đo. Với độ phức tạp tăng dần, người ta có thể giảm dòng điện cần thiết để thực hiện phép đo chính xác, và sau đó giảm tần số của phép đo, nhưng trong giới hạn, phép đo vẫn sẽ tiêu hao một số điện áp.

Trong tương tự thủy lực, có thể đo áp suất (điện áp) bằng cách đặt một lò xo đo trên một pít-tông được đặt ở hai bên của bể chứa. Không có nước chảy từ bên này sang bên kia, nhưng chúng ta nhận được một áp lực liên tục.

Vì vậy, có một đồng hồ, cơ chế, hoặc mạch có thể làm điều đó cho điện áp trên một tụ điện hoặc cung cấp năng lượng khác?

Bỏ qua các giải pháp vật lý gọn gàng, cách thực tế để thực hiện điều này là với op-amp hiện tại đầu vào rất thấp chạy trong cấu hình bộ đệm. Một trong những op-amp có bố cục được thiết kế phù hợp này có thể rút xuống các dòng điện một chữ số từ nắp của bạn, gây nhiễu không đáng kể, đặc biệt nếu bạn chỉ kết nối bộ khuếch đại với nắp khi bạn đo.

Huyền thoại tương tự Bob Pease mô tả đo rò rỉ nắp polypropylen bằng phương pháp này:

Bây giờ tôi sẽ sạc một số tụ điện rò rỉ thấp yêu thích của tôi (chẳng hạn như Panasonic polypropylen 1 phaF) lên đến 9.021 V dc (một điện áp ngẫu nhiên) trong một giờ. Tôi sẽ đọc VOUT với người theo dõi đạt được sự thống nhất trở kháng đầu vào yêu thích cao của tôi (LMC662, Ib khoảng 0,003 pA) và đệm vào vôn kế kỹ thuật số sáu chữ số (DVM) yêu thích của tôi (Agilent / HP34401A) và theo dõi VOUT một lần ngày trong vài ngày

[...]

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

Ngày đầu tiên sau khi ngâm trong một giờ, tốc độ rò rỉ của chúng lên tới 2,7 mV mỗi ngày. Không tệ.

Nếu bạn cần tự động hóa thiết lập như vậy, rơle sậy kiểu cũ tốt về cơ bản đã rò rỉ không đáng kể (tốt hơn cả các công tắc tương tự trạng thái rắn hiện đại) và có thể được sử dụng để kết nối nhanh bộ khuếch đại của bạn với tụ điện đang thử để đọc .

Nói chung những gì bạn cần để đo một điện trường là một điện kế . Các máy quang điện lá vàng cũ hoạt động bằng lực đẩy tĩnh giữa các điện tích giống như, và nếu được làm bằng vật liệu lý tưởng sẽ không rò rỉ bất kỳ điện tích nào.

Tuy nhiên, khi bạn thực sự quan tâm đến sự khác biệt giữa một dòng điện nhỏ và không có dòng chảy hiện tại, một số lượng lớn các vấn đề xuất hiện. Tất cả các thiết bị thử nghiệm của bạn có điện trở hữu hạn (nhưng rất lớn). Các electron sẽ vui vẻ chui một cách ngắn qua các vật thể rắn. Alpha phân rã trong các vật liệu tạo ra một điện tích. Điện tích đi lạc trôi trong gió, hoặc điện áp được gây ra bởi các trường đi qua.

Bob Pease huyền thoại có một số bài viết hay về chủ đề: Tất cả những thứ này là gì, dù sao đi nữa? và tất cả những gì Femtoampere này, dù sao?

Các phương pháp tốt hơn sẽ phụ thuộc vào chênh lệch điện áp mà bạn đang cố đo. Điều tương tự sẽ đúng với sự tương tự thủy lực của bạn.

Nhưng sự tương tự thủy lực của bạn thất bại hoàn toàn trong vấn đề khác. Các lực gia tốc tác dụng lên các electron trong một dây dẫn được gây ra bởi rất ít điện tích. Tôi không nghĩ rằng bạn có cảm giác cần bao nhiêu electron ở bề mặt của một dây dẫn để tăng tốc độ trung bình đáng kể cho các điện tích trong một dây. Nếu bạn uốn một sợi dây thành hình chữ U, nó chỉ có thể mất thêm một hoặc hai electron ở phần uốn cong để định hướng lại hoàn toàn các ampe dòng điện.

Bạn có thể đo chênh lệch điện áp cao vì lượng chênh lệch điện tích đạt đến điểm nhạy cảm (ví dụ bóng trên sợi chỉ giống như tóc) có thể được áp dụng thành công. Trong trường hợp này, tác động lên dòng điện không đáng kể như tác động nhất thời của ví dụ thủy lực của bạn do uốn cong piston rất nhẹ.

Đối với điện áp nhỏ, điều này không hoạt động vì chênh lệch điện tích rất nhỏ và bất kỳ khoảng cách hữu hạn nào so với bề mặt dây dẫn trần làm giảm đáng kể lực nhỏ.

$\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}}$

Chênh lệch điện tích trên khoảng cách hợp lý cần thiết để đẩy dòng điện đó không đáng kể (nằm hoàn toàn trên bề mặt trần của dây dẫn) và bạn sẽ không thể thiết lập một thiết bị để đo nó ở bất kỳ khoảng cách hữu hạn nào. Cách duy nhất để thực hiện công việc này là thêm một dây dẫn vào bề mặt của dây dẫn khác tại một số điểm và cho phép các chênh lệch điện tích nhỏ này tác động lên quy mô nguyên tử của chúng để các lực đáng kinh ngạc của chúng cũng có thể đẩy các electron trong dụng cụ đo của bạn. Nói tóm lại, bạn cần cho phép dòng điện chạy qua, vì đây là cách nhạy cảm nhất có sẵn cho bạn (ở cấp ngân sách phi quân sự) để thực hiện các phép đo áp suất đó trong thiết bị điện tử.

Tất nhiên, thật tuyệt khi nghĩ về sự tương tự. Nhưng như bạn đã biết, quy mô cũng có vấn đề. Có một sự khác biệt rất lớn giữa khoảng cách giữa các thiên hà và các lực tác động có ý nghĩa ở cấp độ đó và khoảng cách ngăn cách các nguyên tử và các lực có ý nghĩa hành động ở cấp đó. Đặt ở một mức độ xúc giác hơn mà con người chúng ta có thể nghĩ về mặt, có một sự khác biệt rất lớn giữa các lực quan trọng đối với chúng ta khi đi bộ và có lực kéo và các lực tác động lên ruồi giấm, chúng có thể dễ dàng đáp xuống bề mặt tường và trần nhà vì trọng lực ít quan trọng hơn ở quy mô của chúng so với điện tích tĩnh và độ nhám đối với chúng.

Vấn đề quy mô, quá.

Vì vậy, sự tương tự thất bại ở đây. Trong điện tử, cách tốt nhất để đo các lực cực kỳ nhỏ và cực nhỏ này, đó là tất cả những gì cần thiết để thúc đẩy dòng điện thực tế trong các mạch, là thiết lập một hệ thống đo lường có thể đáp ứng với chúng. Điều này có nghĩa là cho phép một dòng điện bị ảnh hưởng. Không có gì nhạy cảm hơn thế.

Điều đó nói rằng, tôi sẽ trở lại thực tế là bạn vẫn có thể thực hiện các phép đo mà không cần dòng điện khi và chỉ khi chênh lệch điện áp đủ lớn để thiết lập đủ chênh lệch điện tích để đo.

Có một vài cách để đo điện áp mà không có dòng điện.

Điều đầu tiên nảy sinh trong tâm trí là hiệu ứng áp điện. Bạn sẽ cần phải truyền đủ điện tích từ tụ điện của mình để sạc tinh thể vào cùng một điện áp, nhưng sau đó, sẽ không có dòng điện. Đây là sự tương tự gần nhất với đồng hồ đo áp suất thủy lực của bạn; bạn sẽ đọc điện áp từ số lượng mà tinh thể uốn cong.

Hãy nghĩ về một cái gì đó giống như một hộp mực ghi âm tinh thể. Chuyển động của hàng chục đến hàng trăm micron dẫn đến điện áp theo thứ tự millivolts, và hiệu ứng này hoạt động ngược lại. Rõ ràng, bạn sẽ cần một loại kính hiển vi nào đó để phát hiện chuyển động - bất cứ thứ gì từ kính hiển vi quang học thông thường đến một loại kính hiển vi dòng điện đường hầm nào đó, thực sự rất nhạy cảm.

Đối với phương pháp thứ hai, hãy tìm định nghĩa ban đầu của chiết áp , trong đó đề cập đến một hệ thống không chỉ chứa điện trở biến ba cực mà chúng ta đều quen thuộc, mà còn tham chiếu điện áp chính xác và điện kế để đo dòng điện .

Theo định nghĩa, dòng điện qua điện kế bằng 0 khi điện trở được đặt thành điện áp không xác định.

Rõ ràng, sử dụng một chiết áp để đo sự tự phóng của tụ điện là có vấn đề, bởi vì ngay khi điện áp tụ giảm xuống một chút, chính chiết áp sẽ bắt đầu cung cấp dòng điện để sạc lại nó. Do đó, bạn sẽ phải liên tục điều chỉnh điện trở để giữ cho điện kế không bị rỗng.

Tất nhiên, bạn có thể chỉ cần để hệ thống cân bằng và đọc dòng rò của tụ điện trực tiếp từ điện kế, giả sử nó có thang đo được hiệu chỉnh.

Nếu điện áp của bạn đủ cao, bạn có thể sử dụng máy nghiền yếu.

Nhà vật lý ở đây, có lẽ sắp bị cười ra khỏi trang SE cho câu trả lời lý thuyết này, nhưng rồi đây:

Tại sao không đo lường hiện tại không pertubively? Ý tưởng:

1. Đặt một ampe kế trên một chân của tụ điện. Tích hợp hiện tại theo thời gian.
2. Thu thập điện tích bị mất vào một tụ điện lớn hơn nhiều liên tục được theo dõi.
3. Đo điện trường trong tụ điện (giả sử các tấm song song hoặc hình học có thể truy cập khác).

Nhiều đồng hồ đo áp suất thấp dựa vào sự ion hóa chỉ một vài nguyên tử mỗi giây và đo dòng điện gây ra bởi các electron tự do bây giờ chạm vào cực âm. Tại sao không làm ngược lại và sử dụng điện áp trên tụ tích điện để làm lệch hướng các ion trong chân không cao và đo lường sự thay đổi của chúng trong quỹ đạo?

Bạn có thể sử dụng AD549 (chi phí khoảng 30 EUR) làm người theo dõi đạt được sự thống nhất. Điện trở suất đầu vào lớn hơn điện trở suất của cách điện dây tiêu chuẩn hoặc vật liệu PCB tiêu chuẩn trong một mạch điển hình.

Lưu ý: Có một lỗi đánh máy trong bảng dữ liệu AD549 (2014), nó phải là chân 6 trong đó chân 5 được in.

Bạn nên tìm các bản trắng của Keithley (nay là Tektronix) với các số đo hiện tại thấp. Thật không may, trang web này rất thân thiện với người dùng đến nỗi tôi không tìm thấy cách nào để tạo liên kết.

Nếu bạn cần một cái gì đó thông minh hơn, người ta có thể đặt một điện áp cho tụ điện và điều chỉnh nó để không có dòng điện. Nhưng điều này không tầm thường và chỉ có ý nghĩa trong điều kiện phòng thí nghiệm, với dây dẫn tiếng ồn thấp rất đắt tiền, che chắn tốt, nhiệt độ ổn định ...

Có một cái nhìn trong hướng dẫn của

• Keithley Nanovoltmeter Model 2182A
• Máy đo trọng lượng siêu nhỏ Keyight NanoVolt 34420A

$\Omega$$\Omega$

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

Đo tụ điện áp bằng đồng hồ đo trở kháng cao sẽ khiến điện tích chảy ra khỏi tụ và vào đồng hồ. Việc này có làm lệch kết quả của bạn hay không phụ thuộc vào phần còn lại của mạch và chính xác những gì bạn đang cố gắng đo.

Lưu ý rằng các tụ điện thực sự không lý tưởng, và sẽ phóng điện tự nhiên theo thời gian. Tùy thuộc vào loại tụ điện, việc tự xả này có ý nghĩa hay không. Tụ điện chất lượng cao rất ổn định và sẽ giữ phí trong nhiều giờ hoặc nhiều ngày tùy thuộc vào hoàn cảnh. Nhôm điện phân, không quá nhiều.

$\Omega$$\Omega$

Đo điện áp tức thời trên nắp bằng máy hiện sóng trở kháng đầu vào cao, điều này sẽ đủ tốt cho các mục đích thực tế.