Электрический ток и единицы его измерения
При входе в темное помещение мы нажимаем клавишу, и в квартире становится светло и уютно. Что же происходит в такой привычной и обыденной ситуации?
Многие предполагают, что все элементарно просто, при включении замкнулась цепь и электрический ток побежал по нити накала, она разогрелась и лампочка дала нам свет. Все верно, но термин электрический ток неясен.
Если Вы помните, когда то мы учили физику, там был такой параграф «Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов». Еще один вопрос, а что же такое электрические заряды? Вопросов возникает все больше, стоит переходить к их детальному рассмотрению. Истории изучения электрических явлений началась с момента обнаружения, что два легких бумажных шарика подвешенных на тонких нитях, могут отталкиваться или притягиваться круг к другу.
Припоминаете в школе, нам показывали, как эбонитовую палочку натирают шерстяной тканью и прикасаются к шарикам поочередно к одному и другому и в этот момент наблюдается отталкивание.
Для объяснения этого явления и было введено понятие электрического заряда имеющего положительный или отрицательный знак. Проведенные исследования показали, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Проведя многочисленных опытов подтверждающих существование положительных и отрицательных зарядов, также ученные обнаружили и порцию заряда имеющий называние «элементарный электрический заряд» (обозначается буквой е) величиной равной 1,6.10-19 Кл. Для того что бы понять что это за величина представьте себе что за одну секунду через нить накала проходит три миллиарда миллиардов элементарных электрических зарядов. В данной формуле единица измерения носит имя Кулона французского физика. Элементарный электрический заряд с минусом называется электрон, который был найден физиком Джозеф Джон Томсон, в 1897 г., с плюсом был обнаружен чуть позже физиком Эрнест Резерфорд, в 1919 г. и имеет название протон и позитрон. Опытами было доказано, что любой заряд кратный элементарному электрическому заряду или со знаком плюс или минус, из этого получается 1е = 1,6.
10-19 Кл. Как мы поняли, сразу были найдены электрические заряды, следующим шагом ученных было изучение их движению и явлениям которые происходят во время движения.
Как мы учили направленное движение заряженных частиц, и называется электрическим током. Такими заряженными частицами в проводниках – веществах, проводящих электрический ток, – являются электроны, а в жидкостях и газах – еще и заряженные ионы – атомы, лишенные одного или нескольких электронов (либо наоборот, имеющие лишние электроны). Для создания электрического тока в проводнике, надо сформировать электрическое поле, которое поддерживается источниками электрического тока. Ток может быть постоянный, величина которого не меняется во времени, либо переменным у которого направление и величина меняется с течением времени. Частота переменного тока — количество циклов электрического тока за определенную единицу времени, измеряется в Герцах. Сила тока — физическая величина равная отношению количества заряда, проходящего определенный участок времени через проводник.
Сила тока измеряется в Амперах (амперметром). Мощность тока работа выполняемая частицами электрического тока, против электрического сопротивления, в результате получается тепловая энергия. Более просто сказать мощность тока, это количество выделяемого тепла за единицу времени измеряется в Ваттах.
Напряжение тока — это отношение тока к заряду на определённом участке цепи. Заряд измеряется в Кулонах, работа в Джоулях, так мы можем узнать величину напряжения 1Дж/1Кл, так получается значение равное 1 Вольту, это основная единица в котором измеряется напряжение. Электрическое сопротивление — Георг Симон Ом ставя опыты, наблюдал, как разные приборы показывают различную силу тока, в разных электрических цепях. Так была выдвинута теория, что различные проводники имеют разное электрическое сопротивление и вычисляется по формуле R=L/S, где L — длина проводника, S — площадь поперечного
сечения. Сопротивление измеряется в Омах.
Вы находитесь на сайте дипломированных специалистов электромонтажных работ, с четвертой формой допуска.
Мы готовы предоставить Вам свои услуги электрика в Киеве и области, начиная от установки розетки или выключателя, заканчивая электромонтажом квартиры, дома или бани. Воспользовавшись услугами профессионалов, Ваши проблемы с электричеством будут качественно и быстро устранены, Вы сэкономите личное время плюс безопасность Вашего жилья. Вы также сэкономите на расходах воспользовавшись услугой электрик на дом, так как ремонт электрики требует набор специального дорогостоящего оборудования и инструментов. Даже простой ремонт электрики в квартире или доме требует от человека профессиональных знаний и навыков. Поэтому мы советуем Вам вызвать электрика на дом, и Вы будете довольны работой наших специалистов.
Как измерить ток в электронной цепи
Электрический ток измеряется в амперах, но на самом деле в большинстве электронных работ вы будете измерять ток в миллиамперах или мА. Для измерения тока необходимо соединить два вывода амперметра в цепь так, чтобы ток протекал через амперметр.
Другими словами, амперметр должен стать частью самой цепи.
Единственный способ измерить ток, протекающий через простую цепь, — это включить в цепь амперметр. Здесь амперметр вставлен в цепь между светодиодом и резистором.
Обратите внимание, что не имеет значения, где в этой цепи вы вставляете амперметр. Вы получите одинаковые показания тока, вставите ли вы амперметр между светодиодом и резистором, между резистором и батареей или между светодиодом и батареей.
Чтобы измерить ток в цепи светодиода, выполните следующие действия:
Установите переключатель диапазона мультиметра на диапазон миллиампер постоянного тока не менее 20 мА.
В этой цепи используется постоянный ток (DC), поэтому необходимо убедиться, что мультиметр настроен на диапазон постоянного тока.
Снимите перемычку, соединяющую две клеммные колодки.
Светодиод должен погаснуть, так как снятие перемычки разорвет цепь.
Прикоснитесь черным проводом от мультиметра к проводу светодиода, который подключается к клеммной колодке (не к шине).
Прикоснитесь красным проводом мультиметра к выводу резистора, который подключается к клеммной колодке (не к шине).
Светодиод должен снова загореться, так как амперметр теперь является частью цепи, и ток может течь.
Считайте число на дисплее мультиметра.
Должно быть от 12 до 13 мА. (Точное показание будет зависеть от точного значения сопротивления резистора. Значения резистора неточны, поэтому, даже если вы используете резистор 470 Ом в этой цепи, фактическое сопротивление резистора может быть где-то от 420 до 520 Ом. Ом
Поздравьте себя!
Вы провели первое официальное измерение силы тока.
После празднования замените перемычку, снятую на шаге 2.
Если вы забудете заменить перемычку, вы не сможете успешно провести другие измерения.
В этой схеме есть два места, где вы должны , а не подключать амперметр. Во-первых, не подключайте амперметр напрямую к двум клеммам аккумулятора.
Это эффективно закорачивает батарею. Становится очень жарко, очень быстро. Во-вторых, не подключайте один вывод амперметра к положительной клемме аккумулятора, а другой напрямую к проводу светодиода. Это обойдет резистор, который, вероятно, перегорит светодиод.
Если вы хотите еще немного поэкспериментировать, попробуйте измерить ток в других местах цепи. Например, снимите защелкивающийся разъем аккумулятора с аккумулятора, а затем снова подсоедините его так, чтобы была подключена только отрицательная клемма аккумулятора. Затем прикоснитесь красным щупом к положительной клемме аккумулятора, а черным щупом к выводу резистора, подключенного к полосе шины.
Измеряет ток, вставляя амперметр между резистором и батареей. Вы должны получить то же значение, что и при измерении между светодиодом и резистором.
Вы можете использовать аналогичный метод для измерения тока между светодиодом и отрицательной клеммой аккумулятора. Опять же, результат должен быть таким же.
Эту статью можно найти в категории:
- Схема,
Оптимизация слаботочных измерений и приборов
Характеристика устройств при малых токах требует знаний, навыков и подходящего испытательного оборудования.
Даже со всеми тремя, достижение точности при низких уровнях тока может быть проблемой, потому что уровень тока часто находится на уровне или ниже уровня шума испытательной установки. Для обеспечения успеха при измерении малых токов важно знать тип используемого контрольно-измерительного оборудования, различные источники ошибок измерения и соответствующие методы для минимизации этих ошибок. Изучение нескольких тестовых примеров, таких как характеристика полевого транзистора (FET) и углеродной нанотрубки, может помочь в процессе обучения.
Насколько низкий? Термин слаботочный, конечно, относительный. Уровень тока, который считается низким для одного приложения, например, 1 мА, может быть высоким для устройства, работающего при 10 нА. Как правило, уровень шума прибора определяет его чувствительность низкого уровня, а слаботочные измерения относятся к измерениям, близким к уровню шума прибора. Тенденции в области портативных и удаленных электронных устройств, наряду с достижениями в области полупроводников и нанотехнологий, требуют более широкого использования слаботочных измерений.
Устройства с малой геометрией, фотогальванические устройства и углеродные нанотрубки — вот несколько примеров устройств, предназначенных для работы при чрезвычайно низких уровнях тока, и все эти устройства должны быть охарактеризованы с точки зрения их вольт-амперных характеристик (ВАХ).
Доступен ряд приборов для слаботочных измерений, в зависимости от типа тестируемого устройства (DUT) и уровня измеряемого тока. Возможно, самым распространенным инструментом на производственных линиях и в полевых условиях является цифровой мультиметр (DMM), который обычно обеспечивает возможность измерения силы тока, напряжения, сопротивления и температуры. Ассортимент коммерческих продуктов широк: от недорогих устройств с разрешением считывания 3,5 разряда до стоечных и настольных высокоточных лабораторных устройств. Самые чувствительные из имеющихся цифровых мультиметров могут измерять уровни тока до 10 пА.
Когда требуется большая точность, для измерения тока доступны различные формы амперметров, начиная от простых устройств, измеряющих ток через катушку путем отклонения этой катушки в магнитном поле, и заканчивая более новыми цифровыми амперметрами, в которых используется аналоговый цифровой преобразователь (АЦП) для измерения напряжения на шунтирующем резисторе, а затем определения и отображения тока на основе этого показания.
Шунтирующий резистор обычно имеет низкое значение, чтобы свести к минимуму падение напряжения на нем. Это напряжение часто называют нагрузкой по напряжению, поскольку оно может влиять на низкоуровневые измерения. Амперметры, которые также могут быть реализованы с использованием резистора обратной связи, называются пикоамперметрами, если они разработаны специально для слаботочных измерений. Пикоамперметры доступны в различных конфигурациях, включая быстродействующие модели и логарифмические единицы, способные отображать широкий диапазон тока.
Простой амперметр с обратной связью можно смоделировать с помощью небольшого числа параметров ( Рисунок 1 ), включая сопротивление источника (R S ) и емкость источника (C S ), напряжение источника (V S ) и напряжение шума (В ШУМ ) амперметра. Дополнительными параметрами являются сопротивление обратной связи (R F ) и емкость обратной связи (C F ) амперметра.
Используя эту модель и ее параметры, шумовой коэффициент усиления схемы амперметра можно найти из
Выход В ШУМ = Вход В ШУМ (1 + R F /R S )
Рисунок 1. На этой диаграмме показана простая модель амперметра с обратной связью для измерения низких уровней тока.
По мере уменьшения значения сопротивления источника выходной шум увеличивается. Когда R F = R S , входной шум умножается на коэффициент 2. Слишком низкое сопротивление источника может отрицательно сказаться на шумовых характеристиках измерительной системы. Оптимальное сопротивление источника является функцией требуемого диапазона измерений для амперметра с минимальным значением 1 МОм для измерения наноампер тока по сравнению с минимальным значением 1 ГОм для измерения пикоампер тока. Емкость источника также может влиять на шумовые характеристики слаботочных измерительных приборов.
Емкость истока ИУ может влиять на шумовые характеристики амперметра с обратной связью.
Как правило, с увеличением емкости истока увеличивается и шумовое усиление. Изменение уравнения для шума выходного напряжения путем замены импеданса обратной связи (Z F ) на сопротивление обратной связи (R F ) и импеданса источника (Z S ) на сопротивление источника (R S ) дает:
Выход В ШУМ = Вход В ШУМ (1 + Z F /Z S )
Полное сопротивление обратной связи можно найти из его отношения к сопротивлению и емкости обратной связи, как
, а полное сопротивление источника можно найти из его отношения к сопротивлению и емкости источника, как
По мере увеличения емкости источника (C S ), значение импеданса источника (Z S ) уменьшается с соответствующим увеличением усиления шума.
Дополнительные средства измерения тока включают электрометры и источники-измерители (SMU). Электрометр — это, по сути, вольтметр с высоким входным сопротивлением (1 ТОм и выше), который можно использовать для измерения низких уровней тока.
Его можно использовать как амперметр для измерения низких уровней тока даже при низком напряжении, а также как вольтметр для измерения напряжения с минимальным влиянием на измеряемую цепь. В качестве амперметра электрометр может измерять токи, равные входному току смещения прибора, в некоторых случаях до 1 фА. В качестве вольтметра электрометр может измерять напряжение на конденсаторе без существенной разрядки устройства, а также может измерять потенциал пьезоэлектрических кристаллов и высокоимпедансных рН-электродов.
SMU ( рис. 2 ) представляет собой инновацию для измерения слаботочных величин. Он сочетает в себе прецизионные источники тока и напряжения с чувствительной схемой обнаружения для измерения тока и напряжения. SMU может одновременно обеспечивать источник тока и измерять напряжение или обеспечивать источник напряжения и измерять ток. Хорошо оборудованный SMU может включать в себя источник напряжения, источник тока, амперметр, вольтметр и омметр, а также может быть запрограммирован для использования в системах автоматического испытательного оборудования (ATE).
Рис. 2. Источник-измеритель (SMU) объединяет источники тока и напряжения со схемой обнаружения для измерения тока и напряжения.
Минимизация шума
Все эти измерительные приборы являются эффективными инструментами для измерения тока, хотя их чувствительность к низким уровням тока будет ограничиваться главным образом источниками шума, как внутри, так и снаружи испытательного прибора. ИУ также играет роль в уровне тока, который может быть обнаружен данным прибором, поскольку сопротивление источника ИУ (R S ) устанавливает уровень шума тока Джонсона (I J ), который представляет собой шум низкого уровня, вызванный температурным воздействием на электроны в проводнике. Шум Джонсона, который может быть выражен либо через ток, либо через напряжение, представляет собой шум напряжения устройства, деленный на сопротивление устройства:
, где k = постоянная Больцмана (1,38 × 10 -23 Дж/К),
T = абсолютная температура источника (в °K),
B = ширина полосы шума (в Гц) и
R S = сопротивление источника (в омах)
На шум тока Джонсона влияют как температура, так и ширина полосы шума.
Уменьшение любого параметра также уменьшит шум тока Джонсона. Криогенное охлаждение, например, часто используется для снижения шума в усилителях и других схемах, но увеличивает стоимость и сложность. Полоса шума может быть уменьшена путем фильтрации, но это приведет к замедлению скорости измерения. Шум тока Джонсона также уменьшается по мере уменьшения сопротивления источника ИУ, но это не всегда практично или даже возможно (9).0080 Рисунок 3
Рис. 3. Шум тока Джонсона зависит от многих факторов, включая сопротивление источника ИУ.
В идеальном случае ток, измеренный для ИУ, должен быть током известного источника тока. Однако токовый шум исходит от нескольких нежелательных источников, и именно эти дополнительные токи могут затруднить считывание низких уровней тока от желаемого источника тока. Один из этих нежелательных источников является частью самой измерительной системы: используемые коаксиальные кабели. для соединения измерительных приборов друг с другом или с ИУ.
Трибоэлектрический эффект можно минимизировать, используя малошумящий кабель с внутренним изолятором из полиэтилена с графитовым покрытием под внешним экраном. Графит уменьшает трение и обеспечивает путь для смещенных электронов, чтобы вернуться в исходное положение, устраняя случайное движение электронов и их вклад в дополнительный уровень шума. Избыточный ток из-за трибоэлектрического эффекта также можно свести к минимуму, максимально уменьшив длину испытательных кабелей. Испытательная установка должна быть изолирована от вибрации, чтобы свести к минимуму нежелательное движение испытательных кабелей, путем размещения испытательных кабелей поверх вибропоглощающего материала, такого как пенорезина.
Пьезоэлектрический эффект является еще одним источником погрешности измерения слаботочных измерений, токов, возникающих в результате механического воздействия на чувствительные материалы. Эффект зависит от материала, хотя некоторые материалы, обычно используемые в электронных системах, такие как диэлектрики из политетрафторэтилена (ПТФЭ), могут производить относительно большой ток при заданной нагрузке и вибрации. Керамические материалы менее подвержены пьезоэлектрическим эффектам и производят более низкие уровни тока. Чтобы свести к минимуму ток, создаваемый этим эффектом, крайне важно свести к минимуму механическую нагрузку на изоляторы и сконструировать любую слаботочную испытательную систему с использованием изоляционных материалов с минимальными пьезоэлектрическими свойствами.
Изоляторы также могут ухудшить точность измерения слабого тока из-за диэлектрической абсорбции.
Это явление возникает, когда достаточно высокое напряжение на изоляторе вызывает поляризацию положительных и отрицательных зарядов. Когда напряжение снимается с изолятора, оно отдает разделенные заряды в виде затухающего тока, который добавляется к общему количеству, измеренному во время испытания. Время затухания тока от диэлектрической абсорбции до рассеивания может составлять от минут до часов. Эффект можно свести к минимуму, применяя только низковольтные уровни к изоляторам, используемым для слаботочных измерений.
Изоляторы также могут способствовать снижению точности измерения слабого тока из-за загрязнения солью, влагой, маслом или даже отпечатками пальцев на поверхности изолятора. Эффекты загрязнения также могут влиять на печатные платы в испытательном приспособлении или в испытательной установке. когда, например, при пайке используется избыточный флюс. На изоляторе загрязнение образует слаботочный аккумулятор в чувствительном узле тока внутри изолятора, генерируя шумовые токи, которые могут быть порядка наноампер или на уровне шумовых токов, вызванных трибоэлектрическим эффектом.
Крайне важно проводить измерения слабого тока в отсутствие магнитных полей, поскольку такие поля могут вызвать протекание тока. Магнитное поле с изменяющейся во времени интенсивностью может вызвать протекание тока в близлежащих проводниках, как и движение проводника в магнитном поле. Оба случая следует избегать, чтобы поддерживать точность измерений малых токов, и любой измерительный прибор или система должны быть должным образом экранированы от магнитных полей, чтобы избежать ложных показаний.
Прибор, используемый для слаботочных измерений, должен показывать нулевое значение, когда его входные клеммы остаются в состоянии разомкнутой цепи. К сожалению, это случается редко из-за небольшого тока, известного как входной ток смещения. Это вызвано токами смещения активных устройств, используемых в измерительном приборе, а также токами утечки через изоляторы в приборе или испытательной системе. Большинство производителей приборов указывают входной ток смещения в спецификациях своей продукции для целей сравнения, и это небольшое значение тока необходимо учитывать при любом измерении слабого тока. Из-за входного тока смещения любой ток, измеренный испытательным прибором (I M ) фактически является суммой тока от источника (I S ) и тока смещения (I OFFSET ): входной ток смещения можно определить, заглушив входной разъем и выбрав самый низкий диапазон тока, доступный на измерительном приборе. Показания, показанные прибором, после того, как он должным образом установится на стабильное значение, должны быть в пределах спецификации, указанной в паспорте прибора.
На некоторых приборах функция подавления тока может частично обнулить входной ток смещения.
Другой способ вычесть входной ток смещения из измерения слабого тока состоит в использовании относительной функции, имеющейся в некоторых измерительных приборах, таких как амперметры. Относительная функция сохраняет показание любого измеряемого остаточного тока смещения, когда входные клеммы остаются в состоянии разомкнутой цепи; это показание считается нулевой точкой для последующих показаний.
Некоторые примеры практических слаботочных измерений включают определение характеристик полевых транзисторов (FET) и устройств на основе углеродных нанотрубок (CNT). Более распространенный тест FET включает оценку характеристик устройства с общим истоком. Даже при низких уровнях тока ток стока можно изучить с помощью простой тестовой установки с двумя каналами SMU (9).0080 Рисунок 4 ). В этом примере использовался двухканальный прибор серии 2600B System SourceMeter от Keithley Instruments (www.
keithley.com), поскольку эти приборы обеспечивают возможность получения тока или напряжения и измерения тока или напряжения на в то же время. Для определения характеристик полевого транзистора его монтируют в тестовом приспособлении, которое обеспечивает надежное заземление и соединение смещения. Один из каналов SMU подает свипируемое напряжение затвор-исток (V GS ) на фиксированный полевой транзистор, в то время как другой подает свипируемое напряжение сток-исток (V DS ) к тестируемому устройству, одновременно измеряя ток стока устройства (I D ). Эта простая тестовая установка позволяет тестировать токи стока до 10 нА.
Рис. 4. Два канала SMU можно использовать для оценки качающихся ВАХ полевых транзисторов и других полупроводниковых устройств.
Электронные материалы, такие как фотогальванические пластины и листы УНТ, обычно характеризуются плотностью тока, сколько тока они могут генерировать на данной площади материала.
Исследователи из Сеульского национального университета Южной Кореи, например, использовали электрометр Keithley Model 6517B для оценки устройств с многостенными углеродными нанотрубками (МУНТ), изготовленных на подложке из УНТ с дуговым разрядом. В исследованиях плотность тока составляла всего 10 -4 /см 2 были измерены при приложенных электрических полях 5В/мкм и менее. Практический анализ ВАХ электроники на основе УНТ может быть выполнен аналогично тому, как это делается для полевого транзистора, с использованием пары SMU для развертки напряжений стока и затвора при измерении и построении графика зависимости тока стока от напряжения затвора.
Требуемое разрешение и точность измерений слабого тока определяют тип используемого измерительного инструмента. Когда точность не имеет большого значения, может быть достаточно базового цифрового мультиметра. Но для более строгих требований может потребоваться прецизионный электрометр или SMU. Например, SMU моделей 2635B и 2636B оптимизированы для слаботочных измерений, обеспечивая разрешение измерений до 1 фА.
