Принцип устройства и работы электрометра

Принцип устройства и работы электрометра

Прин­цип действия электрометра заключается в следующем.

Между двумя неподвижными электродами поме­щается легкий подвижный электрод-, обладающий очень малой упругостью. На неподвижные электроды подается напряжение определенной величины, вследствие чего в пространстве между ними образуется электрическое поле. Подвижный электрод при отсутствии на нем элек­трических зарядов не будет взаимодействовать с полем. Если на подвижный электрод будет подан заряд, то электрод начнет двигаться в поле до тех пор, пока силы электрического притяжения не уравновесятся силами уп­ругости подвижного электрода. Величина электрических сил пропорциональна не величине заряда q на подвиж­ном электроде, а его потенциалу U, который связан с зарядом соотношением
где С — емкость подвижного электрода относительно земли.

При малом значении емкости С небольшим зарядам будет соответствовать значительный потенциал, который может быть достаточно точно измерен. По известному заряду q сила тока I определяется из соотношения

где t — время в секундах, в течение которого накапли­вается заряд q.

Таким образом, чувствительность электрометра опре­деляется минимальным напряжением U, которое может быть измерено. По существу электрометр представляет собой особой конструкции электростатический вольт­метр, предназначенный для измерения малых напря­жений.

В настоящее время имеются весьма разнообразные конструкции электрометров. Наиболее распространен­ным и удобным в работе является струнный электрометр.

При высокой точности измерений слабых токов при­менение электрометров имеет один весьма существен­ный недостаток — длительное время, требуемое для проведения одного измерения. Это не позволяет прово­дить измерения быстроменяющихся токов, создает зна­чительные трудности в полевых условиях, не позволяет вести непрерывное наблюдение за силой тока и автома­тическую регистрацию его. Поэтому электрометры при­меняются обычно при эталонных измерениях.

В остальных случаях широкое применение находят усилители постоянного тока на электрометрических лам­пах или так называемые ламповые электрометры.

Ламповые электрометры. На рис. 19 приведена прин­ципиальная схема однолампового усилителя постоянного

 

тока. Там же показана анодно-сеточная характеристика усилительной лампы, то есть зависимость анодного тока /а от напряжения на сетке U„ при постоянных напряже­ниях накала и анода. В цепь сетки лампы включены со­противление R и батарея смещения — Eg.

При отсутствии входного тока (/Вх = 0) напряжение на сетке лампы относительно катода равно —Ug0 и в ее анодной цепи течет ток /а0, что соответствует точке А нй характеристике лампы.

При появлении входного тока в направлении, указан­ном на рис. 19 стрелкой, на сопротивлении R создается падение напряжения —                     направленное       так,

что оно уменьшает смещение на сетке, которое стано­вится равным Ugl — Ugо — /вх—R, вследствие чего ток в анодной цепи возрастает до /а1. Изменение анодного тока регистрируется электроизмерительным прибором М.

Одним из параметров усилительной лампы является крутизна характеристики, определяемая как отношение изменения анодного тока к соответствующему измене­нию напряжения на сетке при постоянных напряжениях накала и анода. Крутизна характеристики обозначается обычно буквой S и выражается в миллиамперах на вольт (ма/в) или микроамперах на вольт (мка/в). На линейном участке характеристики лампы крутизна яв­ляется величиной постоянной и наибольшей по своему значению. В паспорте любой усилительной лампы всегда указывается именно это значение крутизны.

Таким образом, по известному изменению напряже­ния на сетке AUg изменение анодного тока лампы Д/а можно найти из соотношения

M& = S • Д[/г

В схеме рис. 19 изменение напряжения на сетке лампы создается падением напряжения на сопротивле­нии R за счет входного тока, то есть ДUg = lBX • R. Сле­довательно,

Д/а = ^вх • S • R — K • /вх,

где К = S-R может быть назван коэффициентом усиле­ния по току.

Выбирая лампу с большой крутизной и сопротивле­ние R большой величины, можно при очень слабых входных токах получить значительные изменения анод­ного тока, которые легко могут быть измерены обычными микроамперметрами. Если рост крутизны характери­стики может быть ограничен конструктивными особен­ностями электронных ламп, то сопротивление R, вообще говоря, может быть взято сколь угодно большой вели­чины и, казалось бы, усиление по току может быть по­лучено неограниченно большим.

Однако на практике это не так, и основной причиной, ограничивающей величину усиления, является наличие сеточных токов лампы.

Как известно, в любой электронной лампе ток соз­дается за счет потока электронов, испускаемых нагре­тым до определенной температуры металлическим като­дом. Когда на сетку усилительной лампы подается отри­цательный потенциал по отношению к катоду, элек­троны отталкиваются от нее, и ток в цепи сетки должен бы быть равен нулю. В действительности даже при от­рицательном потенциале сетки в ее цепи течет неболь­шой ток, величина и знак которого меняются в зависи­мости от напряжения на сетке. При напряжении на сетке, близком к нулю, ток сетки течет в том же направлении, что и ток анода. Это направление сеточного тока принято называть положительным. При постепенном увеличении смещения положительный сеточный ток резко падает, становится равным нулю, затем меняет свое направление на обратное и продолжает расти по величине. В зависи­мости от напряжения на аноде лампы меняется как ве­личина сеточного тока, так и форма его характеристики.

Для обычных усилительных ламп, применяемых в ра­диоаппаратуре, величина сеточного тока находится в пределах 10~8-=-10-9 ампер. Этот ток, протекая по сопро­тивлению R, также создает на нем падение напряжения, которое складывается или вычитается с напряжением смещения, в зависимости от направления сеточного тока.

Следовательно, применение в схеме рис. 19 обычных усилительных ламп не позволяет измерять токи менее 10~8 ампер, что явно недостаточно.

Как показали исследования, появление сеточного тока при отрицательных напряжениях на сетке и слож­ный вид его характеристики объясняются воздействием нескольких факторов.

Положительный сеточный ток, протекающий при ма­лых смещениях на сетке, вызывается частью электрон­ного потока, который попадает на сетку при движении электронов к аноду.

Основной причиной появления отрицательного сеточ­ного тока является образование положительных ионов. Лампы даже с высоким вакуумом содержат большое количество молекул газа. При давлении в одну милли­онную (10-6) миллиметра ртутного столба каждый кубический сантиметр газа в объеме лампы содержит около 33 миллиардов молекул. Вылетающие из катода электроны, разгоняясь под действием электрического поля при своем движении к аноду, могут ионизировать молекулы газа. Образовавшиеся положительные ионы движутся по направлению наиболее отрицательного электрода, то есть сетки, и создают в ее цепи ток. Так как ионы несут положительный заряд, этот ток направ­лен в обратную сторону по отношению к электронному току сетки.

Число образующихся положительных ионов, а следо­вательно, и сила ионного тока сетки растут с увеличе­нием анодного тока и напряжения на аноде. И, наоборот, с уменьшением анодного тока, например вследствие уве­личения смещения на сетке лампы, уменьшается также ионный ток сетки.

Второй причиной появления отрицательного сеточ­ного тока являются утечки по баллону лампы между вы­водами катод — сетка и анод — сетка. Всякое стекло не является идеальным изолятором и имеет какое-то очень большое сопротивление. Благодаря наличию разности потенциалов между сеткой и катодом, а также сеткой и анодом возникают токи утечки по баллону лампы, на­правление которых обратно направлению электронного тока сетки. С увеличением смещения на сетке токи утечки будут возрастать.

Третьей причиной появления отрицательного сеточ­ного тока является фотоэлектронная эмиссия электронов из сетки. Раскаленный катод испускает свет, под влия­нием которого из сетки вырываются электроны. Чем больше температура катода, тем интенсивнее его луче­испускание и больше отрицательный ток сетки. Оче­видно, что от величины напряжений на аноде и сетке, а также величины анодного тока фототок сетки не зави­сит. Кроме того, сетка испускает электроны и по другой причине. Электроны, ударяясь об анод, вызывают мяг­кое рентгеновское излучение, которое также вырывает вторичные электроны из сетки.

Для уменьшения величины сеточного тока были раз­работаны специальные так называемые электрометриче­ские лампы.

Положительный сеточный ток падает с уменьшением величины анодного тока. Поэтому электрометрические лампы работают при анодных токах в несколько десят­ков микроампер вместо десятков миллиампер в обычных усилительных лампах. Резкое уменьшение анодного тока приводит также к падению и отрицательного сеточного то­ка, обусловленного ионизацией электронами молекул газа.

Уменьшение количества молекул газа, то есть значи­тельное улучшение вакуума в баллоне лампы, дает до­полнительное падение величины ионного тока.

Наиболее радикальной мерой снижения ионного тока является уменьшение напряжения на аноде. Для иониза­ции молекул воздуха электроны должны иметь энергию не менее 12—13 эв. Такую энергию они не могут приоб­рести, если напряжение на аноде лампы будет меньше 12 вольт. Поэтому электрометрические лампы работают при анодных напряжениях порядка 6—10 вольт.