Snygga fysiklösningar åt sidan, det praktiska sättet att göra detta är med en mycket låg ingångsförspänningsström op-amp som körs i en buffertkonfiguration. En av dessa op-förstärkare med en korrekt utformad layout kan dra ner till ensiffriga femtoampor med ström från ditt lock, vilket gör störningar ganska mycket försumbara, särskilt om du bara ansluter förstärkaren till locket när du gör en mätning. / p>

Analog legend Bob Pease beskriver mätning av läckage av en polypropenlock med den här metoden:

Nu laddar jag upp några av mina favorit kondensatorer med låg läckage (t.ex. som Panasonic polypropylen 1 µF) upp till 9.021 V likström (en slumpmässig spänning) i en timme. Jag kommer att läsa VOUT med min favorit hög-ingångsimpedans enhetsförstärkare (LMC662, Ib ca 0,003 pA) och buffra det i min favorit sexsiffriga digital voltmeter (DVM) (Agilent / HP34401A) och övervaka VOUT en gång om dagen i flera dagar.

[...]

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

Den första dagen efter blötläggning i en timme var deras läckage lika bra som 2,7 mV per dag. Inte illa.

Om du behöver automatisera en sådan installation har ett bra gammaldags reedrelä i princip försumbar läckage (bättre än till och med moderna solid state-analoga switchar) och kan användas för att kort ansluta din förstärkare till kondensatorn som testas för att läs.

De bättre metoderna beror på spänningsskillnaden du försöker mäta. Samma sak gäller för din hydrauliska analogi.

Men din hydrauliska analogi misslyckas helt i ett annat avseende. De accelererande krafterna som verkar på elektroner i en ledare orsakas av mycket få laddningar. Jag tror inte att du har en känsla för hur få elektroner som behövs vid en ledares yta för att påskynda betydande medelhastigheter för laddningar i en tråd. Om du böjer en tråd i en U-form kan det bara behöva en eller två extra elektroner vid böjningen för att helt dirigera strömförstärkare.

Du kan mäta högspänningsskillnader eftersom mängden laddningsskillnad når den punkt där känsliga (till exempel bollar på en hårliknande tråd) kan appliceras med framgång. I det här fallet är påverkan på strömmen lika försumbar som ditt hydrauliska exempel tillfälliga påverkan på grund av mycket små kolvböjningar.

För små spänningar fungerar inte detta eftersom laddningsskillnaden är så absolut liten och varje begränsat avstånd från den nakna ledarytan minskar kraftigt den lilla kraften.

Den elektroniska motsvarigheten till hydrauliskt tryck är \ $ \ frac {\ textrm {volt}} {\ textrm {meter}} \ $ eller \ $ \ frac {\ textrm {Newton}} {\ textrm {Coulomb}} \ $. Coppers ledningselektrontäthet vid rumstemperatur är cirka \ $ 1.346 \ gånger 10 ^ {10} \: \ frac {\ textrm {Coulomb}} {\ textrm {m} ^ 3} \ $ och deras rörlighet är ungefär \ $ 4,5 \ gånger 10 ^ {- 3} \: \ frac {\ textrm {m} ^ 2} {\ textrm {Vs}} \ $. Antag en tråd med ett tvärsnitt av \ $ 1 \: \ textrm {mm} ^ 2 \ $ och med \ $ 300 \: \ textrm {mA} \ $ av ström. Det elektriska fältet som krävs är ungefär \ $ 5 \: \ frac {\ mu \ textrm {V}} {\ textrm {mm}} \ $.

Laddningsskillnaden över rimliga avstånd som behövs för att driva den strömmen är försumbar (som ligger helt på ledarens blotta yta) och du skulle inte kunna sätta upp ett instrument för att mäta det på något begränsat avstånd. Det enda sättet att göra detta arbete är att lägga till en ledare till ytan på den andra ledaren någon gång och låta dessa små laddningsskillnader verka på deras atomskalor så att deras otroliga krafter kan driva elektroner i ditt mätinstrument också. Kort sagt, du måste tillåta en ström att strömma, eftersom denna IS är det känsligaste sättet som är tillgängligt för dig (på icke-militära budgetnivåer) för att göra dessa tryckmätningar i elektronik.

Det är naturligtvis trevligt att tänka på analogier. Men som du redan vet spelar skalan också vikt. Det finns en enorm skillnad mellan avstånden som skiljer galaxer och de krafter som meningsfullt verkar på den nivån och avstånden som skiljer atomer och de krafter som meningsfullt verkar på den nivån. Sätt in en mer taktil nivå som vi människor kan tänka i termer av, det finns en enorm skillnad mellan de krafter som är viktiga för oss för att gå och få dragkraft och de krafter som verkar på fruktflugor, som lätt kan landa på ytorna på väggar och taket eftersom tyngdkraften är mycket mindre viktig i deras skala jämfört med statisk laddning och grovhet för dem.

Skala är också viktigt.

Så analogien misslyckas här. Inom elektronik är det bästa sättet att mäta dessa extremt känsliga och små krafter, som är allt som behövs för att driva praktiska strömmar i kretsar, att sätta upp ett mätsystem som kan svara på dem. Detta innebär att låta en ström påverkas. Det finns inget mer känsligt än det.

Med detta sagt kommer jag tillbaka till det faktum att du fortfarande kan göra mätningar utan ström om och bara om spänningsskillnaderna är tillräckligt stora för att ställa in tillräckligt med laddningsskillnad för att mäta.

I allmänhet är vad du behöver för att mäta ett elektriskt fält en elektrometer.De äldre guldbladselektroskopen fungerar genom statisk avstötning mellan liknande laddningar, och om de är gjorda av idealiska material skulle de inte läcka någon laddning.

Men när du verkligen blir intresserad av skillnaden mellan en liten ström och nej strömflöde, visas ett stort antal problem.Alla dina experimentapparater har ett ändligt (men mycket stort) motstånd.Elektroner kommer gärna tunnel en kort väg genom fasta föremål.Alfa-sönderfall i materialen genererar en laddning.Tillfällig laddning drar in på vindarna, eller spänning orsakas av fält som passerar.

Den legendariska Bob Pease har några bra artiklar om ämnet: Vad är allt detta Teflon-grejer, hur som helst? och Vad är allt detta Femtoampere-grejer, hur som helst?

Det finns ett par sätt att mäta spänning utan strömflöde.

Det första som kommer att tänka på är den piezoelektriska effekten. Du måste överföra tillräckligt med laddning från kondensatorn för att ladda kristallen till samma spänning, men efter det skulle det inte finnas något strömflöde. Detta är den närmaste analogin till din hydrauliska tryckmätare; skulle du läsa spänningen från den mängd som kristallen böjer sig.

Tänk på något som en kristallgrafografpatron. Rörelser på tiotals till hundratals mikron resulterar i spänningar i storleksordningen millivolt, och denna effekt fungerar i omvänd ordning. Uppenbarligen skulle du behöva ett mikroskop av något slag för att upptäcka rörelsen - allt från ett vanligt optiskt mikroskop till något slags tunnelförvaringsmikroskop, vilket verkligen skulle vara mycket känsligt.

För den andra metoden, leta upp original definitionen av potentiometer, som hänvisade till ett system som inte bara innehöll det tre-terminala variabla motståndet som vi ' alla är bekanta, men också en exakt spänningsreferens och en galvanometer för att mäta strömmen.

Per definition är strömmen genom galvanometern noll när motståndet är inställt på okänd spänning.

Det är uppenbart att det är problematiskt att använda en potentiometer för att mäta kondensatorns självurladdning, för så snart kondensatorns spänning sjunker lite kommer potentiometern att börja mata ström för att ladda den. Därför måste du ständigt justera motståndet så att galvanometern blir noll.

Naturligtvis kan du helt enkelt låta systemet komma i jämvikt och läsa kondensatorns läckström direkt från galvanometern, förutsatt att den har en kalibrerad skala.

Om din spänning är tillräckligt hög kan du använda en fältkvarn.

Fysiker här, kommer troligen att skratta ut från SE-webbplatsen för detta teoretiska svar, men här går:

Varför inte mäta strömmen icke-pertubativt?Idéer:

1. Sätt en amperemätare på kondensatorns ena ben.Integrera strömmen över tiden.
2. Samla den förlorade laddningen på en mycket större kondensator som ständigt övervakas.
3. Mät det elektriska fältet i kondensatorn (förutsatt parallella plattor eller annan tillgänglig geometri).

Många lågtrycksmätare förlitar sig på jonisering av bara några atomer per sekund och mäter strömmen som orsakas av de nu fria elektronerna som träffar en katod.Varför inte göra det inverterade och använda spänningen över den laddade kondensatorn för att avleda joner i högt vakuum och mäta deras förändring i banan?

Du kan använda en AD549 (kostar cirka 30 EUR) som enhetsvinster.Ingångsmotståndet är större än resistiviteten för standardtrådisolering eller vanligt PCB-material i en typisk krets.

Obs! Det finns ett stavfel i AD549-datauppsättningen (2014) sidan 9 det ska vara stift 6 där stift 5 skrivs ut.

Du bör leta efter Keithley (nu Tektronix) vitpapper på mätningar med låg ström.Tyvärr är webbplatsen så användarvänlig att jag inte hittade något sätt att skapa en länk.

Om du behöver något mer intelligent kan man applicera en spänning på kondensatorn och reglera den så att det inte finns någon ström.Men det här är inte trivialt och är endast meningsfullt under laboratorieförhållanden, med mycket dyra ledningar med låg ljudnivå, bra skärmning, stabila temperaturer ...

Ta en titt i manualerna för

• Keithley Nanovoltmeter modell 2182A
• Keysight NanoVolt Micro-Ohm Meter 34420A

Din förståelse för spänningsmätning är felaktig. En voltmeter har en högimpedansingång (> 1M \ $ \ Omega \ $, vanligtvis runt 10M \ $ \ Omega \ $). Nästan ingen ström strömmar in i mätaren medan en spänningsmätning utförs. Detsamma gäller ett oscilloskop.

Du kan förväxla spänningsmätning med strömmätning. Multimetrar innehåller 'shunts' med lågt motstånd genom vilka strömmen du mäter flyter. Shunterna har ett lågt, men exakt och känt motstånd. Strömflöde genom shunten skapar en spänning över den. Den spänningen mäts. Eftersom shuntmotståndet är känt beräknar mätaren \ $ I = V_ {Shunt} / R_ {Shunt} \ $.

Att mäta spänningskondensatorn med en högimpedansmätare kommer att orsaka laddning från kondensatorn och in i mätaren. Huruvida detta kommer att skeva dina resultat beror på resten av kretsen och exakt vad du försöker mäta.

Observera att riktiga kondensatorer inte är idealiska och kommer att urladdas naturligt över tiden. Beroende på typen av kondensator är denna självurladdning betydande eller inte. Filmkondensatorer av hög kvalitet är mycket stabila och håller laddning i timmar eller dagar beroende på omständigheterna. Elektrolytisk aluminium, inte så mycket.

Du kan förbättra noggrannheten i din avläsning genom att ansluta kondensatorns spänning till en hög ingångsimpedansbuffert och sedan läsa ut buffertens utgång. På detta sätt kommer din mätare att dra liten ström från buffertutgången snarare än från kondensatorn. En JFET-ingångsförstärkare kan ha ingångsmotstånd i 1G \ $ \ Omega \ $ till 1T \ $ \ Omega \ $. Detta kan vara för högt och kan orsaka egna problem.

Mät den momentana spänningen över locket med ett oscilloskop med hög ingångsimpedans, detta kommer att vara tillräckligt bra för praktiska ändamål.