Multimetr jako petaomomierz oraz femtoamperomierz

Każdy, nawet najprostszy multimetr cyfrowy może służyć jako pikoamperomierz, co jest szczegółowo opisane w artykule Twój teraomomierz i pikoamperomierz. Niniejszy artykuł pokazuje, że niektóre multimetry mogą mierzyć wielokrotnie mniejsze prądy i pracować w roli femtoamperomierza i petaomomierza.

1 femtoamper (0,000000000000001 A) to jedna miliardowa mikroampera, jedna bilionowa miliampera i jedna biliardowa ampera – to niewiarygodnie małe natężenie prądu. Prądy tak znikomej wartości są mierzone w laboratoriach za pomocą specjalistycznej, bardzo kosztownej aparatury.

Elektronik ma do czynienia z rezystorami o nominałach do 10 megaomów. Omomierz w typowym multimetrze mierzy rezystancje do 20 megaomów, najwyżej 200 megaomów. A 1 teraom to milion megaomów, tysiąc gigaomów i bilion omów. To przykład ogromnej oporności, z jaką rzadko mamy do czynienia – jeśli już, to głównie przy pomiarach izolacji.

Większość elektroników sądzi, że w warunkach amatorskich, w domowym warsztacie, pomiar prądów w zakresie femtoamperów oraz rezystancji w zakresie teraomów jest absolutnie niemożliwy.

Niniejszy artykuł nie tylko pokazuje, że jak najbardziej jest to możliwe, ale też opisuje konkretne przykłady i zawiera praktyczne wskazówki.

Co prawda przeprowadzenie takich pomiarów nie jest łatwe, ponieważ występują pewne poważne ograniczenia. Trzeba mieć trochę wiedzy, na pewno dużo cierpliwości i przydałaby się też odrobina szczęścia. Jednak można, i naprawdę warto, zainteresować się takimi pomiarami. Oto przykłady.

A najpierw uprzedzam głosy oburzenia: pokazane tu pomiary są możliwe tylko przy użyciu nielicznych multimetrów, o specyficznych właściwościach, niekoniecznie tych najdroższych. Trzeba też mieć rezystory o dużej wartości – na pewno 1 GΩ o jak najwęższej tolerancji, a dobrze byłoby mieć też oporniki o wyższych nominałach. Dziś zakup takich rezystorów nie jest problemem, a ceny są przystępne, o ile nie potrzebujemy dużej precyzji i stabilności.

Fotografia 1 przedstawia pomiar upływu izolacji w postaci rurki termokurczliwej, która jest uznawana za dobry izolator. Napięcie 16,6 V z czterech akumulatorów Li-Ion powoduje przepływ prądu, który na rezystancji pomiarowej około 8,2 gigaoma (tak!) wywołuje spadek napięcia 152,4 mV. Wartość tego prądu to około 18,6 pikoampera, czyli izolacyjna „termokurczka” ma rezystancję około 890 gigaomów.

Fotografia 2 pokazuje, że prąd płynący z akumulatora Li-Ion o napięciu około 4 V przez rezystor o nominale 1 teraoma (1000 GΩ) na rezystancji pomiarowej około 8,2 GΩ wywołuje spadek napięcia 30,3 mV. Podzielenie 30 mV przez 8,2 GΩ wskazuje, że wartość prądu to 3,7 pikoampera. Zgodnie z oczekiwaniami, bo z akumulatora 4 V przez rezystancję 1 teraoma powinien płynąć prąd 4 pA. Różnica między 3,7 pA i 4 pA wynosi tylko 8% i wynika z kilku czynników, głównie tolerancji rezystorów.

Fotografia 3 prezentuje pomiar upływu między rzędami płytki stykowej. Izolacja jest dobra, ale nie idealna. Napięcie 16,5 V z akumulatorów powoduje przepływ prądu, który na rezystancji pomiarowej 8,2 gigaoma wywołuje spadek napięcia 4,9 mV, co oznacza, że prąd ma około 0,6 pikoampera czyli 600 femtoamperów! Przy napięciu akumulatorów 16,6 V daje to rezystancję upływu płytki prawie 28 teraomów!

Fotografia wstępna pokazuje katastrofalne wyniki pomiaru upływności między obwodami grzejnika i katody lampy elektronowej na płytce testowej. Szczegóły omówię dalej w artykule. Teraz tylko najważniejsza informacja, że do wejścia miliwoltomierza dołączyłem równoległy rezystor 10 GΩ, który z ogromną wewnętrzną rezystancją miliwoltomierza daje wypadkową rezystancję bocznika służącego do pomiaru prądu około 8,2 GΩ. Miliwoltomierz mierzy spadek napięcia na tej rezystancji, co pozwala mierzyć prąd z rozdzielczością około 12 femtoamperów.

Stosując napięcie pomiarowe wyższe niż 16,6 V z akumulatorów, można mierzyć rezystancje nawet o wartościach rzędu petaoma (1 000 000 000 000 000 Ω)!

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze lutowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 2/2024). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 2/2024 znajduje się tutaj.

 

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10 zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mam wysłać na podany adres e-mailowy.