مقياس الكهرباء

كان المقياس الكهربائي ذو الورقة الذهبية أحد الأدوات المستخدمة لقياس الشحنة الكهربائية. ^{[ 1 ]} ولا يزال يُستخدم في التجارب العلمية، ولكنه استُبدل في معظم التطبيقات بأجهزة القياس الإلكترونية. يتكون الجهاز من ورقتين رقيقتين من رقائق الذهب معلقتين من قطب كهربائي . عند شحن القطب بالحث أو التلامس، تكتسب الورقتان شحنات كهربائية متشابهة وتتنافران بفعل قوة كولوم . ويُعد تباعدهما مؤشرًا مباشرًا على صافي الشحنة المخزنة عليهما. يمكن لصق قطع من رقائق القصدير على الزجاج المقابل للورقتين، بحيث تُفرغ شحنتها في الأرض عند تباعدهما بالكامل. يمكن تغليف الورقتين بغلاف زجاجي لحمايتهما من التيارات الهوائية، ويمكن تفريغ الغلاف من الهواء لتقليل تسرب الشحنة. وقد استُخدم هذا المبدأ للكشف عن الإشعاع المؤين، كما هو الحال في مقياس الكهرباء ذي الألياف الكوارتزية ومقياس كيرني للتساقط الإشعاعي .

عادةً ما يعمل هذا النوع من المكشافات الكهربائية كمؤشر وليس كجهاز قياس، على الرغم من إمكانية معايرته. وقد اخترع فرديناند براون مقياسًا كهربائيًا معايرًا مزودًا بمؤشر ألومنيوم أكثر متانة ، ووصفه لأول مرة عام 1887. ووفقًا لبراون، فإن المقياس الكهربائي القياسي ذو ورقة الذهب يعمل بكفاءة حتى 800 فولت تقريبًا بدقة 0.1 فولت باستخدام ميكرومتر عيني . أما بالنسبة للفولتيات الأعلى التي تصل إلى 4-6 كيلو فولت، فيمكن لجهاز براون تحقيق دقة تصل إلى 10 فولت . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

تم تطوير الجهاز في القرن الثامن عشر من قبل العديد من الباحثين، ومن بينهم أبراهام بينيت (1787) ^{[ 4 ]} وأليساندرو فولتا .

مع أن مصطلح "مقياس الكهرباء الرباعي" أصبح يُشير في النهاية إلى نسخة كلفن، إلا أنه استُخدم في البداية لوصف جهاز أبسط. يتكون جسمه من ساق خشبية منتصبة مثبتة على نصف دائرة من العاج عليها علامات زاوية. تتدلى كرة فلين خفيفة بخيط من محور في مركز نصف الدائرة، وتلامس الساق. عند وضع الجهاز على جسم مشحون، تُشحن الساق والكرة ويتنافران. تُقاس قوة التنافر بقراءة الزاوية بين الخيط والساق من نصف الدائرة، مع العلم أن الزاوية المقاسة لا تتناسب طرديًا مع الشحنة. ^{[ 5 ]} من أوائل المخترعين ويليام هينلي (1770) وهوراس-بينيديكت دي سوسير . ^{[ 4 ]}

يُستخدم الالتواء للحصول على قياس أكثر حساسية من تنافر رقائق الذهب أو كرات الفلين. يتكون الجهاز من أسطوانة زجاجية يعلوها أنبوب زجاجي. يوجد في محور الأنبوب خيط زجاجي، يحمل طرفه السفلي قضيبًا من الصمغ، مع كرة من لب الخشب مطلية بالذهب عند كل طرف. من خلال فتحة أخرى في الأسطوانة، يمكن إدخال قضيب آخر من الصمغ مزود بكرات مطلية بالذهب. يُسمى هذا القضيب بقضيب الحامل.

إذا كانت الكرة السفلية لقضيب الحامل مشحونة عند إدخالها في الفتحة، فإن ذلك سيؤدي إلى تنافر إحدى الكرات المتحركة في الداخل. يوجد مؤشر ومقياس (غير موضحين في الصورة) مثبتان في أعلى قضيب الزجاج القابل للتدوير. تتناسب زاوية التدوير اللازمة لإعادة الكرات إلى بعضها البعض تناسبًا طرديًا مع مقدار شحنة كرة قضيب الحامل.

أدخل فرانسيس رونالدز ، المدير المؤسس لمرصد كيو ، تحسيناتٍ هامة على ميزان كولوم الالتوائي حوالي عام ١٨٤٤، وباع صانعو الأدوات في لندن الجهاز المُعدَّل. ^{[ ٦ ]} استخدم رونالدز إبرةً رفيعةً معلقةً بدلاً من قضيب الصمغ، واستبدل قضيب الحامل بقطعةٍ ثابتةٍ في مستوى الإبرة. كان كلٌّ من الإبرة والقطعة الثابتة مصنوعين من المعدن، وكذلك خط التعليق والأنبوب المحيط به، بحيث يمكن شحن الإبرة والقطعة الثابتة مباشرةً عبر توصيلات الأسلاك. كما استخدم رونالدز قفص فاراداي وجرّب التصوير الفوتوغرافي لتسجيل القراءات باستمرار. وكان هذا الجهاز بمثابة النواة الأولى لمقياس كلفن الرباعي الكهربائي (الموصوف أدناه).

تم تطوير هذا الجهاز بواسطة شركة بيلتييه ، وهو يستخدم شكلاً من أشكال البوصلة المغناطيسية لقياس الانحراف عن طريق موازنة القوة الكهروستاتيكية بإبرة مغناطيسية.

يتكون مقياس بوننبرغر الكهربائي، الذي طوره جيه جي إف فون بوننبرغر استنادًا إلى اختراع تي جي بي بيرنز، ^{[ 1 ]} من صفيحة ذهبية واحدة معلقة عموديًا بين المصعد والمهبط لكومة جافة . أي شحنة تُمنح للصفيحة الذهبية تجعلها تتحرك نحو أحد القطبين؛ وبالتالي، يمكن قياس إشارة الشحنة ومقدارها التقريبي. ^{[ 7 ]}

تُعرف أيضًا باسم "مقاييس التجاذب الكهرومغناطيسية للأقراص"، ^{[ 1 ]} وهي عبارة عن موازين حساسة تقيس التجاذب بين الأقراص المشحونة. يُنسب اختراع هذا الجهاز إلى ويليام سنو هاريس ، الذي قام اللورد كلفن بتحسينه لاحقًا .

يُعدّ هذا الجهاز، الذي طوّره اللورد كلفن ، الأكثر حساسية ودقة بين جميع أجهزة قياس الكهرباء الميكانيكية. يعتمد التصميم الأصلي على قطاع ألومنيوم خفيف مُعلّق داخل أسطوانة مُقسّمة إلى أربعة أجزاء. هذه الأجزاء معزولة وموصولة قطريًا في أزواج. ينجذب قطاع الألومنيوم المشحون إلى زوج من الأجزاء ويتنافر مع الزوج الآخر. يُرصد الانحراف بواسطة شعاع ضوئي منعكس من مرآة صغيرة مُثبّتة على القطاع، تمامًا كما في الجلفانومتر . يُظهر النقش على اليمين شكلًا مختلفًا قليلًا لهذا الجهاز، حيث يستخدم أربع صفائح مسطحة بدلًا من الأجزاء المغلقة. يمكن توصيل الصفائح خارجيًا بالطريقة القطرية التقليدية (كما هو موضح)، أو بترتيب مختلف لتطبيقات مُحدّدة.

طوّر فريدريك ليندمان شكلاً أكثر حساسية من مقياس الكهرباء الرباعي . يستخدم هذا المقياس ألياف كوارتز مطلية بالمعدن بدلاً من قطاع ألومنيوم. ويُقاس الانحراف بمراقبة حركة الألياف تحت المجهر. استُخدم في البداية لقياس ضوء النجوم، ثم استُخدم للكشف بالأشعة تحت الحمراء عن الطائرات في المراحل الأولى من الحرب العالمية الثانية .

كانت بعض أجهزة قياس الكهرباء الميكانيكية توضع داخل قفص يُشار إليه غالبًا باسم "قفص الطيور". وهذا نوع من أقفاص فاراداي التي تحمي الجهاز من الشحنات الكهروستاتيكية الخارجية.

يمكن تسجيل قراءات الكهرباء بشكل مستمر باستخدام جهاز يُعرف باسم جهاز تسجيل الكهرباء. ابتكر فرانسيس رونالدز جهاز تسجيل كهرباء مبكرًا حوالي عام 1814، حيث شكّلت الكهرباء المتغيرة نمطًا على لوحة دوارة مطلية بالراتنج . استُخدم هذا الجهاز في مرصد كيو والمرصد الملكي في غرينتش خلال أربعينيات القرن التاسع عشر لتسجيل تغيرات الكهرباء الجوية . ^{[ 6 ]} في عام 1845، اخترع رونالدز وسيلة تصويرية لتسجيل الكهرباء الجوية. كان السطح الحساس للضوء يُسحب ببطء أمام غشاء فتحة صندوق الكاميرا، الذي كان يحتوي أيضًا على مقياس كهرباء، ويلتقط الحركات المستمرة لمؤشرات مقياس الكهرباء كأثر. ^{[ 8 ]} استخدم كلفن وسيلة تصويرية مماثلة لمقياس الكهرباء الرباعي الخاص به (انظر أعلاه) في ستينيات القرن التاسع عشر.

تستخدم مقاييس التيار الكهربائي ذات القصبة المهتزة مكثفًا متغيرًا يتكون بين قطب كهربائي متحرك (على شكل قصبة مهتزة) وقطب إدخال ثابت. مع تغير المسافة بين القطبين، تتغير سعة المكثف، مما يؤدي إلى تدفق الشحنة الكهربائية داخله وخارجه. يتم تضخيم إشارة التيار المتردد الناتجة عن تدفق هذه الشحنة، وتُستخدم كإشارة مماثلة لجهد التيار المستمر المطبق على المكثف. تُحدد مقاومة دخل التيار المستمر للمقياس الكهربائي بمقاومة التسرب للمكثف فقط، وعادةً ما تكون عالية جدًا (على الرغم من أن معاوقة دخل التيار المتردد أقل).

لتسهيل الاستخدام، غالبًا ما يتم توصيل مجموعة القصبة المهتزة ببقية جهاز قياس الشحنة الكهربائية بواسطة كابل. يسمح هذا بوضع وحدة صغيرة نسبيًا بالقرب من الشحنة المراد قياسها، بينما يمكن وضع وحدة محرك القصبة والمضخم الأكبر حجمًا في أي مكان يناسب المشغل. ^{[ 11 ]}

تستخدم مقاييس التيار الكهربائي الصمامية أنبوبًا مفرغًا متخصصًا (صمامًا حراريًا أيونيًا) يتميز بكسب عالٍ جدًا ( موصلية عالية ) ومقاومة دخل عالية. يُسمح لتيار الدخل بالتدفق إلى الشبكة ذات المعاوقة العالية، ويتم تضخيم الجهد الناتج بشكل كبير في دائرة المصعد ( الصفيحة ). تتميز الصمامات المصممة للاستخدام في مقاييس التيار الكهربائي بتيارات تسريب منخفضة تصل إلى بضعة فيمتو أمبير (10⁻¹⁵ ^أمبير ). يجب التعامل مع هذه الصمامات بأيدٍ ترتدي قفازات، لأن الأملاح المتبقية على الغلاف الزجاجي قد توفر مسارات تسريب لهذه التيارات الضئيلة. ^{[ 12 ]}

في دائرة متخصصة تُسمى الصمام الثلاثي المعكوس ، تنعكس أدوار المصعد والشبكة. وهذا يضع قطب التحكم على أقصى مسافة من منطقة الشحنة الفضائية المحيطة بالفتيل، مما يقلل من عدد الإلكترونات التي يجمعها قطب التحكم، وبالتالي يقلل من تيار الإدخال. ^{[ 13 ]}

تتكون أحدث أجهزة قياس التيار الكهربائي من مُضخِّم إلكتروني يستخدم ترانزستورًا واحدًا أو أكثر من نوع ترانزستورات تأثير المجال ، ومنافذ لتوصيل أجهزة القياس الخارجية، وعادةً ما تتضمن شاشة عرض ومنافذ لتسجيل البيانات. يُضخِّم المُضخِّم التيارات الصغيرة لتسهيل قياسها. عادةً ما تكون المنافذ الخارجية محورية أو ثلاثية المحاور، وتسمح بتوصيل الثنائيات أو غرف التأين لقياس الإشعاع المؤين . تُمكِّن شاشة العرض أو منافذ تسجيل البيانات المستخدم من رؤية البيانات أو تسجيلها لتحليلها لاحقًا. قد تتضمن أجهزة قياس التيار الكهربائي المصممة للاستخدام مع غرف التأين مصدر طاقة عالي الجهد، يُستخدم لتشغيل غرفة التأين.

تُعدّ مقاييس التيار الكهربائي ذات الحالة الصلبة أجهزة متعددة الأغراض، إذ تقيس الجهد والشحنة والمقاومة والتيار. وتقيس الجهد عن طريق "موازنة الجهد"، حيث يُقارن جهد الدخل بمصدر جهد مرجعي داخلي باستخدام دائرة إلكترونية ذات مقاومة دخل عالية جدًا (في حدود 10^ ¹⁴ أوم). وباستخدام دائرة مماثلة مُعدّلة لتعمل كمحول تيار إلى جهد، يُمكن للجهاز قياس تيارات صغيرة جدًا تصل إلى بضعة فيمتو أمبير. وبالاقتران مع مصدر جهد داخلي، يُمكن تكييف وضع قياس التيار لقياس مقاومات عالية جدًا ، في حدود 10 ^{^17} أوم. وأخيرًا، من خلال حساب السعة المعروفة لطرف دخل مقياس التيار الكهربائي، يُمكن للجهاز قياس شحنات كهربائية صغيرة جدًا ، تصل إلى جزء صغير من البيكو كولوم.