Meça a tensão sem corrente

Suponha que eu tenho um capacitor e quero observar sua queda de carga ao longo do tempo. Como posso fazer isso sem afetar sua taxa de descarga através da medição?

AFAIK, um voltímetro típico percorre a corrente através de uma resistência conhecida para determinar a tensão, mas no processo isso descarregaria o capacitor sendo medido. Com o aumento da complexidade, pode-se reduzir a corrente necessária para fazer uma medição precisa e, em seguida, reduzir a frequência das medições, mas no limite as medições ainda serão drenadas alguma tensão.

Na analogia hidráulica, é possível medir a pressão (tensão) colocando um medidor de mola em um pistão atingido pelos dois lados do reservatório. Nenhuma água flui de um lado para o outro, mas temos uma leitura constante da pressão.

Então, existe um medidor, mecanismo ou circuito que possa fazer isso com voltagem em um capacitor ou outra fonte de alimentação?

Puras soluções físicas à parte, a maneira prática de fazer isso é com um amplificador operacional de corrente de polarização de entrada muito baixo sendo executado em uma configuração de buffer. Um desses amplificadores operacionais com um layout adequadamente projetado pode reduzir a femtoamps de um dígito da corrente da sua tampa, tornando os distúrbios praticamente insignificantes, principalmente se você conectar o amplificador à tampa quando estiver fazendo uma medição.

A legenda analógica Bob Pease descreve a medição de vazamento de uma tampa de polipropileno usando este método:

Agora carregarei alguns dos meus capacitores favoritos de baixo vazamento (como o polipropileno Panasonic 1 µF) até 9,021 V dc (tensão aleatória) por uma hora. Vou ler o VOUT com meu seguidor de ganho de unidade com impedância de alta entrada e favorito (LMC662, Ib cerca de 0,003 pA) e armazená-lo no meu voltímetro digital de seis dígitos (DVM) favorito (Agilent / HP34401A) e monitorar o VOUT uma vez a cada dia por vários dias.

[...]

Day 0: 9.0214 V
Day 1: 9.01870 V
Day 2: 9.01756 V
Day 6: 9.0135 V
Day 7: 9.0123 V
Day 8: 9.01018 V
Day 9: 9.00941 V
Day 11: 9.00788 V
Day 12: 9.00544 V
Day 13: 9.00422 V

No primeiro dia após a imersão por uma hora, a taxa de vazamento foi tão boa quanto 2,7 mV por dia. Não é ruim.

Se você precisar automatizar essa configuração, um bom relé de palheta à moda antiga tem basicamente um vazamento desprezível (melhor que até os comutadores analógicos de estado sólido modernos) e pode ser usado para conectar brevemente seu amplificador ao capacitor em teste para fazer uma leitura .

Geralmente o que você precisa para medir um campo elétrico é um eletrômetro . Os eletroscópios mais antigos de folha de ouro operam pela repulsão estática entre cargas iguais e, se feitos de materiais ideais, não vazariam nenhuma carga.

No entanto, quando você se interessa realmente pela diferença entre uma corrente minúscula e sem fluxo de corrente, um grande número de problemas aparece. Todo o seu aparelho experimental tem uma resistência finita (mas muito grande). Felizmente, os elétrons atravessam um túnel através de objetos sólidos. A deterioração alfa nos materiais gera uma carga. A carga dispersa é desviada pelos ventos ou a tensão é induzida pela passagem de campos.

O lendário Bob Pease tem alguns bons artigos sobre o assunto: o que é todo esse material de Teflon, afinal? e o que é tudo isso Femtoampere, afinal?

Os melhores métodos dependerão da diferença de tensão que você está tentando medir. O mesmo seria verdade para sua analogia hidráulica.

Mas sua analogia hidráulica falha completamente em outro aspecto. As forças aceleradoras que atuam nos elétrons em um condutor são causadas por muito poucas cargas. Eu não acho que você perceba o quão poucos elétrons são necessários na superfície de um condutor para acelerar velocidades médias significativas para cargas em um fio. Se você dobrar um fio em forma de U, poderá levar apenas um ou dois elétrons extras na curva para redirecionar completamente os amplificadores de corrente.

Você pode medir diferenças de alta voltagem porque a quantidade de diferença de carga atinge o ponto em que a sensibilidade (bolas de ponta em uma rosca semelhante a um cabelo, por exemplo) pode ser aplicada com sucesso. Nesse caso, o impacto na corrente é tão insignificante quanto o impacto momentâneo do seu exemplo hidráulico devido a flexões muito leves do pistão.

Para tensões pequenas, isso não funciona porque a diferença de carga é absolutamente pequena e qualquer distância finita da superfície do condutor desencapado reduz bastante a força minúscula.

$\frac{\textrm{volts}}{\textrm{meter}}$$\frac{\textrm{Newton}}{\textrm{Coulomb}}$$1.346\times 10^{10}\:\frac{\textrm{Coulomb}}{\textrm{m}^3}$$4.5\times 10^{-3}\:\frac{\textrm{m}^2}{\textrm{V-s}}$$1\:\textrm{mm}^2$$300\:\textrm{mA}$$5\:\frac{\mu\textrm{V}}{\textrm{mm}}$

A diferença de carga em distâncias razoáveis ​​necessárias para impulsionar essa corrente é desprezível (que reside inteiramente na superfície nua do condutor) e você não poderá instalar um instrumento para medi-lo a qualquer distância finita. A única maneira de fazer esse trabalho é adicionar um condutor à superfície desse outro condutor em algum momento e permitir que essas pequenas diferenças de carga atuem em suas escalas atômicas, de modo que suas forças incríveis também possam impulsionar elétrons em seu instrumento de medição. Em resumo, você precisa permitir que a corrente flua, porque essa é a maneira mais sensível à sua disposição (em níveis de orçamento não militares) para fazer essas medições de pressão nos eletrônicos.

É bom pensar em analogias, é claro. Mas como você já sabe, a escala também importante. Há uma enorme diferença entre as distâncias que separam galáxias e as forças que atuam significativamente nesse nível e as distâncias que separam átomos e as forças que atuam significativamente nesse nível. Coloque em um nível mais tátil que os humanos possam pensar em termos de, há uma enorme diferença entre as forças que são importantes para nós para caminhar e obter tração e as forças que atuam nas moscas da fruta, que podem pousar facilmente nas superfícies das paredes e o teto porque a gravidade é muito menos importante em sua escala em comparação com a carga estática e a rugosidade para eles.

A escala também importa.

Então a analogia falha aqui. Em eletrônica, a melhor maneira de medir essas forças extremamente delicadas e minúsculas, que são tudo o que é necessário para impulsionar correntes práticas em circuitos, é instalar um sistema de medição que possa responder a elas. Isso significa permitir que uma corrente seja afetada. Não há nada mais sensível que isso.

Dito isso, voltarei ao fato de que você ainda pode fazer medições sem corrente, se e somente se as diferenças de tensão forem grandes o suficiente para configurar a diferença de carga suficiente para medir.

Existem duas maneiras de medir a tensão sem um fluxo de corrente.

A primeira coisa que vem à mente é o efeito piezoelétrico. Você precisaria transferir carga suficiente do seu capacitor para carregar o cristal na mesma voltagem, mas depois disso, não haveria fluxo de corrente. Essa é a analogia mais próxima do seu manômetro hidráulico; você leria a tensão a partir da quantidade que o cristal flexiona.

Pense em algo como um cartucho fonográfico de cristal. Movimentos de dezenas a centenas de mícrons resultam em tensões da ordem de milivolts, e esse efeito funciona ao contrário. Obviamente, você precisaria de um tipo de microscópio para detectar o movimento - qualquer coisa, desde um microscópio óptico comum a algum tipo de microscópio de corrente de tunelamento, que seria realmente muito sensível.

Para o segundo método, procure a definição original de potenciômetro , que se refere a um sistema que continha não apenas o resistor variável de três terminais com o qual todos estamos familiarizados, mas também uma referência de tensão precisa e um galvanômetro para medir a corrente .

Por definição, a corrente através do galvanômetro é zero quando o resistor é ajustado na tensão desconhecida.

Obviamente, usar um potenciômetro para medir a autodescarga de um capacitor é problemático, porque assim que a tensão do capacitor cair um pouco, o próprio potenciômetro começará a fornecer corrente para recarregá-lo. Portanto, você precisará ajustar constantemente o resistor para manter o galvanômetro nulo.

Obviamente, você pode simplesmente deixar o sistema entrar em equilíbrio e ler a corrente de fuga do capacitor diretamente do galvanômetro, assumindo que ele tenha uma escala calibrada.

Se sua voltagem for alta o suficiente, você pode usar um moinho de campo.

Físico aqui, provavelmente prestes a rir do site SE por essa resposta teórica, mas aqui vai:

Por que não medir a corrente não pertubativamente? Idéias:

1. Coloque um amperímetro em uma perna do capacitor. Integre a corrente ao longo do tempo.
2. Colete a carga perdida em um capacitor muito maior que é constantemente monitorado.
3. Meça o campo elétrico dentro do capacitor (assumindo placas paralelas ou outra geometria acessível).

Muitos manômetros de baixa pressão dependem da ionização de apenas alguns átomos por segundo e medem a corrente causada pelos elétrons agora livres que atingem um cátodo. Por que não fazer a inversa e usar a tensão sobre o capacitor carregado para desviar os íons em alto vácuo e medir sua mudança na trajetória?

Você pode usar um AD549 (custa cerca de 30 euros) como seguidor de ganho de unidade. A resistividade de entrada é maior que a resistividade do isolamento padrão do fio ou do material PCB padrão em um circuito típico.

Nota: Há um erro de digitação no datashet AD549 (2014), página 9, que deve ser o pino 6, onde o pino 5 é impresso.

Você deve procurar os artigos Keithley (agora Tektronix) sobre medições de baixa corrente. Infelizmente, o site é tão hostil que não achei maneira de criar um link.

Se você precisar de algo mais inteligente, pode-se aplicar uma tensão ao capacitor e regulá-lo para que não haja corrente. Mas isso não é trivial e só faz sentido em condições de laboratório, com cabos de baixo ruído muito caros, boa blindagem, temperaturas estáveis ​​...

Dê uma olhada nos manuais de

• Nanovoltímetro Keithley Modelo 2182A
• Medidor de micro-ohm Keysight NanoVolt 34420A

Seu entendimento da medição de tensão está incorreto. Um voltímetro possui uma entrada de alta impedância (> 1M$\Omega$, normalmente em torno de 10 milhões$\Omega$) Quase nenhuma corrente flui para o medidor durante uma medição de tensão. O mesmo vale para um osciloscópio.

Você pode confundir medição de tensão com medição de corrente. Os multímetros contêm 'shunts' de baixa resistência, através dos quais a corrente que você está medindo flui. Os desvios têm uma resistência baixa, mas precisa e conhecida. O fluxo de corrente através da derivação cria uma tensão através dela. Essa tensão é medida. Como a resistência à derivação é conhecida, o medidor calcula$I = V_{Shunt}/R_{Shunt}$.

Medir o capacitor de tensão com um medidor de alta impedância fará com que a carga flua para fora do capacitor e para dentro do medidor. Se isso distorcerá ou não os resultados, depende do resto do circuito e exatamente do que você está tentando medir.

Observe que capacitores reais não são ideais e descarregam naturalmente com o tempo. Dependendo do tipo de capacitor, essa descarga automática é significativa ou não. Os capacitores de filme de alta qualidade são muito estáveis ​​e mantêm a carga por horas ou dias, dependendo das circunstâncias. Eletrolíticos de alumínio, nem tanto.

Você pode melhorar a precisão de sua leitura conectando a tensão do capacitor a um buffer de alta impedância de entrada e lendo a saída desse buffer. Dessa forma, seu medidor consumirá uma pequena corrente da saída do buffer, e não do capacitor. Um amplificador operacional de entrada JFET pode ter resistências de entrada no 1G$\Omega$ para 1T$\Omega$. Isso pode ser muito alto e pode causar problemas próprios.

Measure the instantaneous voltage across the cap with a high input impedance oscilloscope, this will be good enough for practical purposes.