Электрометр как физический прибор¶

Электрометр — прибор для измерения электрического заряда и разности потенциалов, а также для качественного обнаружения электрических зарядов. Относится к классу электростатических измерительных устройств и отличается от электрометра-индикатора (электроскопа) наличием градуированной шкалы, позволяющей получать численные значения измеряемой величины. Действие прибора основано на взаимодействии электрически заряженных тел: силы отталкивания или притяжения вызывают механическое перемещение подвижного элемента, которое регистрируется по шкале.

¶Принцип действия

В основе работы электрометра лежит закон Кулона: одноимённо заряженные тела отталкиваются, разноимённые — притягиваются. Если подвижный лёгкий элемент соединён с измерительным электродом, то при сообщении прибору заряда этот элемент отклоняется от положения равновесия. Угол отклонения пропорционален величине заряда (при неизменной геометрии и жёсткости подвеса), что позволяет проградуировать шкалу в единицах заряда или напряжения.

Ключевое отличие от электроскопа — наличие шкалы и калибровки. Электроскоп лишь показывает наличие заряда и приблизительно оценивает его знак, тогда как электрометр даёт количественную оценку. Кроме того, электрометры часто конструируют так, чтобы измерять разность потенциалов между двумя точками цепи, для чего один из электродов заземляют.

¶История

Первые приборы для обнаружения электричества появились в XVII–XVIII веках. Прообраз электроскопа описал английский учёный Уильям Гильберт в 1600 году. В 1748 году французский физик Жан Антуан Нолле создал прибор с двумя соломинками, расходящимися при заряде, — один из первых электроскопов.

Термин «электрометр» закрепился за более точными приборами. Значительный вклад внёс Алессандро Вольта, усовершенствовавший конструкцию в конце XVIII века. В XIX веке электрометры применялись в опытах Майкла Фарадея и других исследователей электростатики. В 1787 году Абрахам Беннет создал чувствительный электроскоп с золотыми листочками, а Оле Рёмер и позднее Шарль Огюстен Кулон развили количественные методы измерения заряда с помощью крутильных весов, что идейно близко к электрометрии.

В России электростатическими измерениями занимались физики, работавшие в Петербургской академии наук; приборы использовались в исследованиях атмосферного электричества, в том числе в опытах М. В. Ломоносова и Г. В. Рихмана в 1750-х годах.

¶Виды электрометров

Существует несколько классификаций по конструкции и принципу действия:

• Стрелочный электрометр — с лёгкой металлической стрелкой, вращающейся на оси; отклонение стрелки фиксируется по шкале.
• Листочковый (лепестковый) — с двумя золотыми или алюминиевыми листочками; применяется чаще как индикатор, но может быть проградуирован.
• Квадрантный электрометр — с подвижной лёгкой рамкой внутри металлических квадрантов; отличается высокой чувствительностью, применялся для измерения малых напряжений.
• Крутильный электрометр — использует упругий подвес и компенсацию отклонения; позволяет измерять очень малые заряды.
• Струнный электрометр — с тонкой металлической нитью, отклоняющейся под действием поля; применялся в ядерной физике.
• Электрометр с подвижной катушкой — сочетает электростатические и электродинамические принципы.

По назначению различают лабораторные (высокая точность), демонстрационные (наглядность) и технические приборы.

¶Устройство

Типичный стрелочный электрометр включает:

• металлический корпус (часто заземляемый) с прозрачным окном;
• измерительный электрод, изолированный от корпуса;
• подвижный элемент (стрелку, листочки, рамку);
• ось или упругий подвес;
• шкалу с делениями;
• клеммы для подключения проводников.

Изоляция измерительного электрода выполняется из диэлектриков — янтаря, фарфора, кварца, современных полимеров. Качество изоляции определяет точность прибора: утечки заряда искажают показания.

¶Применение

Электрометры используются:

• в учебном физическом эксперименте для демонстрации электростатических явлений;
• в лабораторных исследованиях для измерения зарядов и малых напряжений;
• в дозиметрии и ядерной физике (ионизационные камеры с электрометром);
• в метрологии для поверки других приборов;
• в исследованиях атмосферного электричества.

В современной практике на смену классическим электростатическим электрометрам пришли электронные вольтметры с высоким входным сопротивлением, однако электрометры сохраняют значение в демонстрационных и специальных измерениях.

¶Ограничения и особенности

К недостаткам относят чувствительность к внешним полям и влажности, необходимость тщательной изоляции, влияние ёмкости соединительных проводов. При измерении напряжения электрометр фактически измеряет заряд, перераспределяемый между прибором и источником, поэтому его показания зависят от собственной ёмкости. Для корректных измерений прибор градуируют в конкретных условиях.

¶Интересные факты

• Электроскоп с золотыми листочками остаётся одним из самых узнаваемых демонстрационных приборов в школьном курсе физики.
• Квадрантные электрометры позволяли регистрировать напряжения порядка долей вольта при высокой изоляции.
• В опытах по атмосферному электричеству электрометры применялись для регистрации заряда, накапливаемого грозовыми облаками.

Источники: учебники по общей физике, энциклопедические словари по физике, исторические обзоры развития электроизмерительной техники.