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Un electrómetro es un instrumento eléctrico utilizado para medir la carga eléctrica o la diferencia de potencial eléctrico. Existen muchos tipos diferentes, que van desde instrumentos mecánicos hechos a mano históricos hasta dispositivos electrónicos de alta precisión.
Los electrómetros modernos basados en tecnología de tubo de vacío o de estado sólido se pueden utilizar para realizar mediciones de voltaje y carga con corrientes de fuga muy bajas, hasta 1 femtoamperio. Un instrumento más simple pero relacionado, el electróscopo, funciona según principios similares, pero solo indica las magnitudes relativas de voltajes o cargas.
Historia del electrómetro
Varios electrómetros han sido desarrollados a lo largo de la historia según los avances técnicos y conocimiento disponible de la época.
Electroscopio de lámina de oro
El electroscopio de lámina de oro fue uno de los instrumentos utilizados para indicar carga eléctrica. Todavía se utiliza en 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 lámina 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 aluminio, de modo que cuando las láminas se separen por completo, puedan descargarse hacia el suelo. Las láminas pueden estar encerradas en un sobre de vidrio para protegerlas de corrientes de aire, y el sobre puede ser evacuado para minimizar la fuga de carga.
Otra causa de la fuga de carga es la radiación ionizante, por lo que, para evitar esto, el electroscopio debe estar rodeado de un blindaje de plomo. Este principio se ha utilizado para detectar radiación ionizante, como se ve en el electroscopio de fibra de cuarzo y el medidor de caída Kearny.
Este tipo de electroscopio suele actuar como un indicador y no como un dispositivo de medición, aunque se puede calibrar. Un electrómetro calibrado con un indicador de aluminio más robusto fue inventado por Ferdinand Braun y descrito por primera vez en 1887. Según Braun, el electroscopio estándar de lámina de oro es bueno hasta aproximadamente 800 V con una resolución de 0.1 V utilizando un micrómetro ocular. Para voltajes más grandes de hasta 4-6 kV, el instrumento de Braun puede lograr una resolución de 10 V.
El instrumento fue desarrollado en el siglo XVIII por varios investigadores, entre ellos Abraham Bennet (1787) y Alessandro Volta.
Electrómetro de cuadrante primigenio.
Si bien el término «electrómetro de cuadrante» se refería eventualmente a la versión de Kelvin, este término se usó por primera vez para describir un dispositivo más simple. Consiste en un vástago vertical de madera, al cual se fija un semicírculo de marfil. Desde el centro cuelga una ligera bola de corcho sobre un pivote.
Cuando el instrumento se coloca sobre un cuerpo cargado, el vástago participa y repele la bola de corcho. La cantidad de repulsión se puede leer en el semicírculo graduado, aunque el ángulo medido no está en proporción directa a la carga. Entre los primeros inventores se encuentran William Henley (1770) y Horace-Bénédict de Saussure.
Electrómetro de Coulomb
Se utiliza la torsión para proporcionar una medición más sensible que la repulsión de las láminas de oro o las 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 laca gomosa, con una bola de corcho dorado en cada extremo. A través de otra abertura en el cilindro, se puede introducir otra barra de laca gomosa con bolas doradas. Esto se llama varilla portadora.
Si la bola inferior de la varilla portadora se carga al entrar en la abertura, esto repelerá a una de las bolas móviles en el interior. Un índice y una escala (no mostrados) se adjuntan a la parte superior de la varilla de vidrio giratoria. La cantidad de grados torcidos para que las bolas vuelvan a encontrarse está en una proporción exacta de la cantidad de carga de la bola de la varilla portadora.
Francis Ronalds, el primer Director del Observatorio de Kew, realizó importantes mejoras en el equilibrio de torsión de Coulomb alrededor de 1844 y el instrumento modificado fue vendido por fabricantes de instrumentos de Londres.
Ronalds utilizó una aguja fina suspendida en lugar de la barra de laca gomosa y reemplazó la varilla portadora por una pieza fija en el plano de la aguja. Ambos eran de metal, al igual que la línea de suspensión y su tubo circundante, de modo que la aguja y la pieza fija podían cargarse directamente a través de conexiones de alambre. Ronalds también empleó una jaula de Faraday y probó la fotografía para registrar las lecturas continuamente. Fue el precursor del electrómetro de cuadrante de Kelvin.
Electrómetro Peltier
Desarrollado por Peltier, utiliza una forma de brújula magnética para medir la desviación equilibrando la fuerza electrostática con una aguja magnética.
Electrómetro Bohnenberger
El electrómetro Bohnenberger, desarrollado por J. G. F. von Bohnenberger a partir de una invención de T. G. B. Behrens, consta de una sola lámina de oro suspendida verticalmente entre el ánodo y el cátodo de una pila seca. Cualquier carga impartida a la lámina de oro hace que se mueva hacia uno u otro polo; así, se puede evaluar tanto el signo como la magnitud aproximada de la carga.
Electrómetro de atracción
También conocidos como «electrómetros de disco atraído», los electroscopios de atracción son balanzas sensibles que miden la atracción entre discos cargados. William Snow Harris se le atribuye la invención de este instrumento, que fue mejorado aún más por Lord Kelvin.
Electrómetro de cuadrante de Kelvin
Desarrollado por Lord Kelvin, este es el más sensible y preciso de todos los electrómetros mecánicos. El diseño original utiliza un sector de aluminio liviano suspendido dentro de un tambor cortado 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 desde un pequeño espejo unido al sector, al igual que en un galvanómetro. El grabado a la derecha muestra una forma ligeramente diferente de este electrómetro, utilizando cuatro placas planas en lugar de segmentos cerrados. Las placas pueden conectarse externamente en la forma diagonal convencional (como se muestra), o en un orden diferente para aplicaciones específicas.
Una forma más sensible de electrómetro de cuadrante fue desarrollada por Frederick Lindemann. Utiliza 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». Esta es una forma de jaula de Faraday que protegía el instrumento de cargas electrostáticas externas.
Electrógrafo
Las lecturas de electricidad pueden registrarse continuamente con un dispositivo conocido como electrógrafo. Francis Ronalds creó un electrógrafo temprano alrededor de 1814 en el que la electricidad cambiante creaba un patrón en una placa giratoria recubierta de resina. Se utilizó 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.
En 1845, Ronalds inventó un medio fotográfico para registrar la electricidad atmosférica. La superficie fotosensible se desplazaba lentamente frente al 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 una traza. Kelvin utilizó medios fotográficos similares para su electrómetro de cuadrante (ver arriba) en la década de 1860.
Electrómetros modernos
Un electrómetro moderno es un voltímetro electrónico altamente sensible cuya impedancia de entrada es tan alta que la corriente que fluye en él se puede considerar, para la mayoría de los propósitos prácticos, como cero. El valor real de la resistencia de entrada para los electrómetros electrónicos modernos es de alrededor de 1014 Ω, en comparación con alrededor de 1010 Ω para los nanovoltímetros.
Debido a la impedancia de entrada extremadamente alta, se deben aplicar consideraciones especiales de diseño (como escudos impulsados y materiales de aislamiento especiales) para evitar la corriente de fuga.
Entre otras aplicaciones, los electrómetros se utilizan en experimentos de física nuclear, ya que pueden medir las pequeñas cargas dejadas en la materia por el paso de radiación ionizante. El uso más común de los electrómetros modernos es la medición de la radiación con cámaras de ionización, en instrumentos como contadores Geiger.
Electrómetros de lengüeta vibrante
Los electrómetros de lengüeta vibrante utilizan un condensador variable formado entre un electrodo móvil (en forma de una lengüeta vibrante) y un electrodo de entrada fijo. A medida que varía la distancia entre los dos electrodos, la capacitancia también varía y la carga eléctrica se fuerza dentro y fuera del condensador.
La señal de corriente alterna producida por el flujo de esta carga se amplifica y se utiliza como un equivalente analógico para el voltaje continuo aplicado 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 más baja.
Para mayor comodidad de uso, el conjunto de lengüeta vibrante a menudo se conecta por un cable al resto del electrómetro. Esto permite que una unidad relativamente pequeña se coloque cerca de la carga que se va a medir, mientras que la unidad de accionamiento de la lengüeta y el amplificador, mucho más grande, se puede ubicar donde sea conveniente para el operador.
Electrómetros de válvula
Los electrómetros de válvula utilizan un tubo de vacío especializado (válvula termoiónica) con una ganancia (transconductancia) y resistencia de entrada muy altas. La corriente de entrada se permite fluir hacia la rejilla de alta impedancia, y el voltaje generado se amplifica enormemente en el circuito del ánodo (placa).
Las válvulas diseñadas para el uso de electrómetros tienen corrientes de fuga tan bajas como unos pocos femtoamperios (10-15 amperios). Estas válvulas deben manipularse con guantes, ya que las sales dejadas en el envoltorio de vidrio pueden proporcionar caminos de fuga para estas corrientes diminutas.
En un circuito especializado llamado triodo invertido, los roles del ánodo y la rejilla están invertidos. Esto coloca el electrodo de control a una distancia máxima de la región de carga espacial que rodea al filamento, minimizando la cantidad de electrones recogidos por el electrodo de control y, por lo tanto, minimizando la corriente de entrada.
Electrómetros de estado sólido
Los electrómetros más modernos consisten en 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 de registro de datos.
El amplificador amplifica pequeñas corrientes para que sean más fáciles de medir. Las conexiones externas suelen ser de diseño coaxial o triaxial y permiten la conexión de diodos o cámaras de ionización para la medición de radiación ionizante. Las conexiones de visualización o registro de datos permiten al usuario ver los datos o registrarlos para su análisis posterior. 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 multipropósito que pueden medir voltaje, carga, resistencia y corriente. Miden el voltaje mediante «equilibrio de voltaje», en el que el voltaje de entrada se compara con una fuente de voltaje de referencia interna utilizando un circuito electrónico con una impedancia de entrada muy alta (del orden de 1014 Ω).
Un circuito similar modificado para actuar como convertidor de corriente a voltaje permite que el instrumento mida corrientes tan pequeñas como unos pocos femtoamperios. Combinado con una fuente de voltaje interna, el modo de medición de corriente se puede adaptar 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 un picoculombo.
Para más información electrometer
Un electrómetro es un instrumento para medir la carga eléctrica, y su desarrollo ha contribuido al estudio de la materia y de los fenómenos físicos. Conoce su historia aquí y visítanos para más de la #química y la #ciencia
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APA: (2024-07-01). Electrómetro. Recuperado de https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/electrometro/
ACS: . Electrómetro. https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/electrometro/. Fecha de consulta 2025-03-18.
IEEE: , "Electrómetro," https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/electrometro/, fecha de consulta 2025-03-18.
Vancouver: . Electrómetro. [Internet]. 2024-07-01 [citado 2025-03-18]. Disponible en: https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/electrometro/.
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