Electroscopio
Un electroscopio es un dispositivo que se utiliza para detectar cargas eléctricas y voltajes . Su modo de funcionamiento se basa en la atracción y repulsión de cargas eléctricas y es uno de los dispositivos de medición de voltaje electrostático . Un electroscopio con una escala calibrada también se llama electrómetro. Con él, las cargas eléctricas y los voltajes no solo se pueden detectar, sino también medir. El primer electroscopio con un diseño muy temprano, que consta de una aguja giratoria en una punta, el llamado Versorium , fue desarrollado por William Gilbert alrededor del año 1600 .
Para la medición casi sin corriente de pequeños voltajes eléctricos, consulte también amplificador de electrómetro . Se puede usar un voltímetro de rotación (también conocido como "molino de campo") para medir la fuerza del campo eléctrico sin energía.
Función descriptiva
La función se describe utilizando el ejemplo de un electroscopio de puntero (electroscopio de Braun). Las dos conexiones garantizan que la tensión a medir se aplique entre la carcasa y la varilla vertical. La varilla en sí es conductora. Dado que se guía a través de la carcasa de forma aislada , no pueden fluir cargas de la varilla hacia la carcasa. Dado que el puntero, que está unido de forma giratoria a la varilla, está hecho de material conductor, se carga a sí mismo en la varilla con el mismo nombre, es repelido por la varilla (y atraído por la carcasa) y el puntero se desvía debido a esto. fuerza electro-estática. El puntero se mueve hacia arriba hasta que el par generado por la gravedad compensa el de la fuerza electrostática. Si se ha realizado un escalado, la escala se etiqueta con los valores de la tensión eléctrica.
Los electroscopios miden sin corriente, i. es decir, se basan en la electrostática . Idealmente, no fluye corriente hacia el dispositivo de medición durante la medición de voltaje CC que pueda cargar el objeto de medición y, por lo tanto, falsear la medición. Estrictamente hablando, sin embargo, una corriente fluye brevemente al principio para cargar la propia capacidad del dispositivo. Por tanto, el electroscopio permanece cargado cuando se elimina el voltaje. Solo cuando se drena la carga (por ejemplo, mediante un cortocircuito contra la carcasa), el puntero vuelve a su posición de reposo como resultado de la gravedad.
Sin embargo, con el tiempo, la carga se pierde debido a las corrientes de fuga , por lo que la desviación del puntero vuelve a disminuir lentamente incluso sin contacto. En el caso de una inversión de carga a un voltaje igualmente grande de polaridad opuesta, el puntero retrocede y se desvía nuevamente en la misma distancia. Si la inercia mecánica del puntero es demasiado grande, no alcanza su posición cero, sino que solo se contrae brevemente.
Dado que el instrumento funciona independientemente de la polaridad, también es adecuado para mostrar voltajes alternos. Sin embargo, debido a la capacitancia, forma una reactancia y no se puede medir sin corriente: la inversión de carga constante hace que fluyan corrientes de desplazamiento.
Los efectos de la fuerza electrostática y la fuerza de la gravedad dependen de forma no lineal de la desviación del puntero. Una gran desviación hasta una desviación de casi 90 ° solo se puede lograr con grandes cargas.
Diseños
Electroscopio de puntero
El diseño más simple es el electroscopio de puntero, también es el más utilizado. Después de su inventor Karl Ferdinand Braun también se llamará electroscopio Braun o Electroscopio Brown MOORISH . Consiste esencialmente en una varilla de metal aislada a la que se une un puntero de metal, cuyo centro de gravedad está debajo del fulcro. Si se aplica una carga eléctrica a esta disposición, la varilla y el puntero se repelen y el puntero se desvía. Cuanto mayor sea la carga, mayor será la desviación del puntero.
Electroscopio de doble puntero
Los dispositivos sensibles a menudo usan punteros dobles en lugar de un solo puntero. Como resultado, la fuerza de restauración (gravedad) del puntero, que está casi equilibrada como una escala, se puede mantener muy baja. Esto también lo hace más sensible a influencias externas como vibraciones o corrientes de aire. Por lo tanto, los instrumentos de doble puntero suelen tener una construcción relativamente maciza y están encapsulados por placas de vidrio.
Los electroscopios de doble puntero ya responden a pequeños, p. Ej. B. generadas al frotar objetos de plástico sobre textiles o pieles, cargas electrostáticas (electricidad estática ). Si el objeto de plástico frotado se sostiene contra el electrómetro, parte de su carga se transfiere a la disposición del puntero y se observa una desviación del puntero.
Electroscopio de lámina
Este diseño, también conocido como “electroscopio de prospecto”, consiste en una tira doblada de lámina de oro , aluminio o cobre , que se puede colgar en una percha de alambre al vacío. Cuando el dispositivo está cargado, las mitades de la lámina se separan en forma de V. Esta disposición también es muy sensible, pero no se le puede colocar una escala: las tiras de papel de aluminio son demasiado ligeras y flexibles y se apoyarían contra la escala o serían perturbadas por ella.
En el estado desenergizado, las dos mitades de la película deben tener una cierta distancia mínima para que sus superficies internas no se toquen. De lo contrario, podrían adherirse entre sí incluso cuando se aplique voltaje, lo que no es aceptable en una aplicación relevante para la seguridad.
La erupción aumenta con una película o masa más pequeña. Aparte del aumento de la capacidad eléctrica, el ancho de la película no influye en la deflexión. La longitud de la película, por otro lado, influye principalmente en la forma y, por tanto, en la visibilidad del pliegue.
Electrómetro de hilo
Los electrómetros de hilo de Wulf utilizan uno o dos hilos que se tensan ligeramente con un soporte y se extienden cuando se aplica un voltaje.
Electroscopios libres de potencial (bipolar)
Los electroscopios de puntero también están disponibles en bipolar, es decir, H. Se puede producir un diseño simétrico (sin conexión a tierra), p. ej. B. por medio del almacenamiento aislado del puntero entre dos electrodos aislados del potencial de tierra. Sin embargo, son menos prácticos porque funcionan sobre el principio de atracción y la fuerza también aumenta cuando te acercas a ellos, por lo que la escala se divide desfavorablemente. Además, existe un mayor riesgo de que se produzca una descarga disruptiva ( chispa ) del puntero que se acerca a los electrodos.
Diseño de Bohnenberger
En un diseño según Bohnenberger , se pueden comparar los voltajes o se pueden demostrar los voltajes diferenciales entre los electrodos basándose en el cambio de posición de una placa de oro que cuelga entre dos electrodos de placa. En caso de diferencia de voltaje, surge un par que desvía la placa de su posición de reposo (paralela a las placas) y la alinea con su plano en la dirección de las líneas del campo eléctrico. La longitud del campo eléctrico entre las placas se acorta. El dispositivo de Bohnenberger es, por lo tanto, un comparador: tampoco se puede implementar una escala en este dispositivo, ya que interferiría con el campo.
Electroscopio de hoja de aleteo
El electroscopio hoja aleteo es una variante de la Zamboni - péndulo , es como este para desplazamientos electrostática. Dado que este dispositivo transporta cargas como esas, no funciona sin energía y, por lo tanto, en realidad no pertenece a los dispositivos de medición electrostática. El electroscopio de aleta es un condensador vertical aislado en aire , entre cuyas placas, que están aisladas de la tierra, se encuentra una placa de metal rectangular en su borde inferior, aislada eléctricamente. Cuando la placa se inclina hacia una de las placas del condensador, toma su carga y por lo tanto es inclinada por el campo electrostático hacia la otra placa, donde su carga y dirección de movimiento se invierten nuevamente.
Electrómetro capilar
Como principio de medición, este diseño utiliza la propiedad física de la tensión superficial de una columna de mercurio en un tubo capilar , que está cubierto con ácido sulfúrico diluido en la parte superior.
Equilibrio de voltaje
El equilibrio de voltaje , también conocido como "electrómetro absoluto", es un equilibrio de haz , una carga de la cual es una placa de condensador . El cambio en la fuerza sobre la placa del condensador debido al campo eléctrico se compara directamente con el peso de una masa conocida.
Balance de energía
Los electrómetros funcionan mecánicamente, la desviación del puntero significa trabajo mecánico. De ello se deduce que cuando el dispositivo está en funcionamiento, la energía eléctrica debe haber entrado en el dispositivo. La mayor parte de la energía está a cargo de la estructura (la autocapacidad) y no se convierte. Sin embargo, parte de ella se convierte en energía cinética (el puntero se mueve) y energía potencial (desviación del puntero). Mientras que la energía potencial se convierte de nuevo en energía eléctrica durante la descarga, la energía cinética se puede convertir en calor a través de colisiones inelásticas, así como por la fricción del aire y los cojinetes. Parte de la energía también puede fluir hacia la deformación plástica de las láminas.
El flujo de corriente del cambio de carga, por otro lado, no causa pérdidas significativas debido a la resistencia eléctrica comparativamente baja del puntero y la suspensión. El flujo de corriente genera un campo magnético, pero éste tampoco influye en el balance energético.
La energía que se pierde constantemente incluso en estado estacionario es disipada por las corrientes de fuga. Estos incluyen, por un lado, corrientes a través de los aislantes no ideales (calor) y, por otro lado, pérdidas de carga a través de moléculas de aire y agua ionizadas, desprendidas y recombinantes, así como partículas de polvo.
Significado histórico
El descubrimiento del radio y el polonio sucedió a Marie y Pierre Curie usando un simple electroscopio. Esto no muestra directamente la radiación ionizante , pero la velocidad de descarga se acelera por la radiación ionizante y el aumento asociado en la conductividad del aire. Esto permite sacar conclusiones sobre la radiactividad . Este principio es z. B. utilizado en dosímetros .
Las mediciones de la electricidad del aire (intensidad de campo en la atmósfera, con o sin tormentas eléctricas), así como los experimentos con radiación ultravioleta, se llevaron a cabo con electrómetros.
Ver también
enlaces web
- Electrómetro histórico en el museo virtual de ciencia.
- Electroscopio histórico en el Museo Técnico de Viena.
Evidencia individual
- ^ William Gilbert, Edward Wright: Sobre la piedra imán y los cuerpos magnéticos . John Wiley & Sons, 1893, página 79. Una traducción de P. Fleury Mottelay de William Gilbert (1600) Die Magnete, Londres.
- ↑ Reinhart Weber: Física. Parte I: Física clásica - Fundamentos experimentales y teóricos. Pág. 326.
- ↑ Sven H. Pfleger: Desde la sala de física. Conceptos básicos y experimentos de la física escolar clásica. P. 172. Disponible parcialmente en línea en Google Books .