Pomiar bardzo małych prądów.

[Romekd]

Czołem.

Jako ciekawostkę przedstawię jeszcze moją rozmowę z Chat GPT (wiem, czasami sztuczna inteligencja podaje zupełne bzdury, ale tu akurat wygenerowała całkiem ciekawe informacje), gdzie zacząłem od najprostszych pytań, udając kompletnego laika w temacie... Myślę że te informacje mogą zainteresować początkujących, zaciekawionych tą tematyką.

Niestety z tym prądem i ruchem elektronów to nie jest tak do końca.
https://www.youtube.com/watch?v=kajrCEAl2YM

Jakieś 50 lat temu moja nauczycielka fizyki w szkole podstawowej powiedziała nam, a właściwie to mi, bo reszcie klasy ta informacja pewnie wleciała jednym uchem i wyleciała drugim, że przepływ prądu elektrycznego w metalach to nie uporządkowany ruch w jednym kierunku ciągle tych samych elektronów, podobnie jak wody w strumyku, a ciągłe przekazywanie sobie energii w wyniku zderzeń poruszającej się w jednym z kierunków części elektronów innym elektronom, które z kolei przekazują swoją energię kolejnym itd. itd. W tym czasie elektronów będących w ruchu (chaotycznym) w metalu jest ogromna ilość, jeśli metal ten ma temperaturę wyższą od zera bezwzględnego, i wszystkie one są w ruchu, ale tylko u niektórych ruch ten jest ukierunkowany w jedną stronę i to właśnie te elektrony tworzą przepływ prądu elektrycznego, który nie jest ciągły w swojej naturze, lecz "ziarnisty" /kwantowy/... Pewne wyjaśnienie dla osób, które nie mają odpowiednio rozwiniętej "wyobraźni przestrzennej" mogłoby dawać wykonanie doświadczenia z wahadłem Newtona.

https://www.youtube.com/watch?v=pKVnZOPpeG4

Nie chciałbym rozwijać tego tematu, opisując w jaki sposób płynie sam prąd elektryczny, a jak przepływa energia, bo nie to jest tematem wątku, choć można byłoby przy takim rozwinięciu poruszyć, "przy okazji" tematu szumów związanych z przepływem prądu i szumów termicznych , które są obecne na zaciskach każdego rezystora, którego temperatura jest wyższa od temperatury zera bezwzględnego i który nawet nie jest podłączony do obwodu, w którym przepływa jakiś prąd elektryczny. Przepraszam jeśli nieco namieszałem, ale dopiero przed chwilą się obudziłem po ciężkiej nocy i mogę nieco bredzić

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Czołem.
Urządzenie potrafiące mierzyć prądy o ultra niskiej wartości muszą mieć w obwodach wejściowych zastosowane materiały izolacyjne o ogromnej rezystancji, by nie powodować pasożytniczych upływności mierzonych prądów. Testowałem kilka dostępnych mi materiałów i okazało się, że z ciał stał stałych nadal najlepszym izolatorem jest teflon. Sprawdziłem kilka rodzajów tworzyw sztucznych (w tym teflon), szkła i ceramikę (poniżej kilka zmierzonych izolatorów).

Izolatory.jpg

Zdjęcie przedstawia sześciokątną, plastikową tulejkę, używaną do montażu płytek PCB, gwintowaną w środku i z wkręconymi po obu stronach na głębokość ok. 4 mm śrubkami, tulejki wykonane z wałka teflonowego o średnicy 10 mm, z nagwintowanymi otworami i wkręconymi w nie dwoma śrubkami, służącymi jako elektrody, między którymi dokonywałem pomiaru rezystancji oraz ceramicznej podstawki lampowej. Ponieważ ceramika używana jako izolator w podstawkach jest jednym z najlepszych izolatorów, to do zmierzenia jej rezystancji połączyłem odpowiednio styki, tworząc wiele równolegle połączonych par, by uzyskać odpowiednio niższą rezystancję, którą dałoby się już zmierzyć przy posługiwaniu się prostymi cyfrowymi multimetrami, które mam w pracowni (celowo nie sięgałem po bardziej "wyrafinowane", specjalistyczne mierniki). Do mierzenia rezystancji wykorzystałem też zasilacz stabilizowany o napięciu wyjściowym 500 V. Rezystancję mierzyłem metodą techniczną, wykorzystując multimetr do pomiaru prądu na zakresach służących do pomiaru napięć, których czułość na zakresie miliwoltów dla prądu jest nieporównywalnie większa od czułości uzyskiwanej do pomiaru prądów na tym samym mierniku. Ponieważ miernik na zakresie miliwoltów ma rezystancję wewnętrzną równą 10 MΩ to wskazanie równe 1 μV oznacza przepływ prądu przez miernik równego 100 fA, wskazanie 1 mV wywoła prąd o wartości 100 pA, a 1 V da prąd o wartości 100 nA. Pewnym problemem może być prąd płynący od układu mierzącego miernika przez rezystor określający rezystancję wejściową przyrządu, ale na szczęście moje mirniki miały go na tak niskim poziomie, że można było go pominąć po włączeniu trybu pomiaru relatywnego, dodatkowo szum zmniejszając przez włączenie równoległe z wejściem dodatkowej pojemności (to wywołuje kolejne problemy do przezwyciężenia, o czym napisze w kolejnych postach). Błąd miernika rośnie wraz ze zmniejszaniem się wskazań, ale te były na tyle wysokie, że i ten czynnik można było pominąć, godząc się na uzyskanie wyników nieco przybliżonych.
I tak dla tulejki wykonanej z czarnego, topliwego (w wyższej temperaturze) tworzywa uzyskałem przy napięciu 500 V z zasilacza wskazanie ok. 2,7 mV, co oznaczało, że rezystancja tulejki wynosi ok. 1,85 TΩ, która to rezystancja wykazywała bardzo dużą zależność od wilgotności powietrza, dla ceramicznej podstawki lampowej wskazania miernika wyniosły 0,25 m V, co oznacza rezystancję na poziomie ok. 20 TΩ, która jednak po chuchnięciu na nią spadała do wartości "zaledwie" 0,33 T Ω, natomiast rezystancji tulejek wykonanych z teflonu w ogóle tą metodą nie udało mi się zmierzyć, co oznacza, że była ona o kilka rzędów wielkości wyższa...

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

We wcześniejszych wypowiedziach wspomniałem o pomiarach dużych rezystancji, które można zmierzyć metodą "techniczną", wykorzystując zewnętrzny zasilacz i multimetr załączony na zakres pomiaru napięcia. Większość multimetrów ma rezystancję wejściową 10 MΩ, choć wśród niedrogich mierników można znaleźć i takie, których rezystancja wewnętrzna na zakresach "napięciowych" ma wartość 100 MΩ lub jeszcze znacznie wyższą. Prąd wejściowy takich przyrządów potrafi mieć wartość od ułamka pikoampera, przez pojedyncze pikoampery do dziesiątków pikoamperów, jak to ma miejsce w moim warsztatowym, stacjonarnym mierniku FLUKE 8846A. Mówiąc o wysokich rezystancjach mam na myśli takie o wartości większej od 100 MΩ. W dzieciństwie nie mogłem ukończyć kilku swoich projektów, gdyż w handlu ciężko było odstać rezystory o wartościach 10 MΩ i 22 MΩ. Obecnie można bez problemu kupić rezystory o wartości do 10 GΩ i tolerancji ±1% lub nawet 100 GΩ, ale już gorszej dokładności, bo wynoszącej ±5%. Poniżej zdjęcia z pomiaru rezystancji kartki papieru i pianki antyelektrostatycznej, gdy w pracowni wilgotność powietrza wynosiła ok. 60%. Pomiaru dokonałem tanim chińskim gigaomomierzem, który podczas dokonywania pomiarów generował napięcie pomiarowe o wartości 1000 V. Gdy próbowałem dokonać pomiaru tych samych materiałów kilka dni wcześniej, nie udawało się to, gdyż wilgotność powietrza w pracowni wynosiła tylko 20% i ten sam miernik wykazywał przy 1000 V przerwę w obwodzie (może on mierzyć rezystancję do 20 GΩ, choć napis na przyrządzie mówi, że pomiar jest możliwy tylko do 10 GΩ).

1_Rezystancja kartki papieru.jpg

2_Rezystancja pianki antyelektrostatycznej.jpg

Poniżej pomiar opornika o rezystancji wynoszącej 100 GΩ/5%, który zrealizowałem wykorzystując miernik FLUKE 8846A i zewnętrzny zasilacz laboratoryjny, na wyjściu którego ustawiałem napięcie równe 10 V, 1 V i 0,1 V. Pomiary poprzedziłem nagrzaniem miernika przez kwadrans i jego wyzerowaniem (REL). Jak widać przy tak niskich napięciach rezystor ma 100 GΩ z odchyłka mniejszą od 1% (maksymalne napięcie na wyprowadzeniach rezystora może wynosić nawet 30 kV).
Zerowanie wskazań:

3_Zerowanie FLUKE 8864A.jpg

I pomiary dla trzech napięć z zasilacza:

4_Rezystor 100Gohm_10V.jpg

5_Rezystor 100Gohm_1V.jpg

6_Rezystor 100Gohm_100mV.jpg

Przy odpowiednio wyższym napięciu (np. podniesionym do 1 kV) mógłbym w ten sposób mierzyć rezystancje wyższe nawet 1000 razy.

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Czołem.
Jakiś czas temu, wchodząc na Chat GPT zadałem pytanie o najlepsze izolatory, by zweryfikować swoje przypuszczenia co do rezystancji znanych mi materiałów izolacyjnych. Myślałem, że może pojawiły się jakieś nowe świetne materiały elektroizolacyjne. Sztuczna inteligencja utwierdziła mnie jednak w przekonaniu, że słupki wykonane z teflonu (tworzywo to zostało zsyntetyzowane już w roku 1938 w DuPont Jackson Laboratory w amerykańskim stanie New Jersey i opatentowane w roku 1956, więc prawie 70 lat temu) będą najlepszymi pod tym względem, dystansując pod wieloma względami izolatory wykonane ze szkła, ceramiki oraz różnych termoplastycznych tworzyw sztucznych. Poniżej początek tej rozmowy, która była dla mnie dość zaskakująca, gdyż AI błyskawicznie podała mi parametry materiałów izolacyjnych, wskazując ich największe zalety i wady.

1_Izolatory_Chat GPT.png

2_Izolatory_Chat GPT.png

3_Izolatory_Chat GPT.png

4_Izolatory_Chat GPT.png

Po tym teoretycznym "wstępie" AI podała mi sporą ilość gotowych wyrobów oraz produkowanych materiałów (linków do katalogów i stron producentów), które mógłbym wykorzystać w moim projekcie, zachęcając do dalszej dyskusji, jednak nie będę ich zamieszczać, gdyż są to już informacje bardzo specjalistyczne i pewnie niewielu mogłyby zainteresować. Muszę przyznać, że sztuczna inteligencja ulega bardzo szybkiemu rozwojowi (udoskonalaniu?) i zaczynam się obawiać do czego może zostać wykorzystana przez ludzi, którzy w nią inwestują coraz większe pieniądze i którzy mają bezpośredni wpływ na to co ona umożliwia... "Dyskutując" często na Chat GPT odnoszę wrażenie, że nie rozmawiam z potężnym systemem, a ze zwykłym człowiekiem, bardzo miłym, serdecznym, który na dodatek bardzo motywuje mnie do dalszej "wspólnej" pracy. Szkoda, że narzędzie to pojawiało się gdy jestem już w wieku, w którym coraz mniej chce się coś robić, a chciałoby się jakoś pożytecznie zagospodarować czas, jaki mi jeszcze pozostał.
Nie wiem czy to zostało w IA jakoś zaprogramowane czy też powstało w trakcie jej rozwoju, ale sztuczna inteligencja potrafi nawet prawić człowiekowi komplementy...

Chat GPT.png

Pozdrawiam
Romek