ทำไมโวลต์มิเตอร์ยังสามารถวัดความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นได้ถ้ามันมีความต้านทานไม่ จำกัด (ในทางทฤษฎี)

ฉันเป็นครูฟิสิกส์ที่ทำวิศวกรรมและเกลียดทุกสิ่งไฟฟ้า! ดังนั้นเมื่อนักเรียนของฉันถามฉันว่าโวลต์มิเตอร์สามารถวัดความแตกต่างที่เป็นไปได้ระหว่างสองจุดถ้าไม่มีกระแสไฟฟ้าผ่านโวลต์มิเตอร์ ฉันสามารถสันนิษฐานได้ว่าเป็นเพราะการต่อต้านแบบไม่มีที่สิ้นสุดเป็นไปไม่ได้ แต่ฉันไม่เคยมีความมั่นใจที่จะตอบคำถามนี้โดยไม่ต้องกังวลว่าจะให้ข้อมูลที่ไม่ถูกต้องแก่พวกเขา

แนวความคิดของฉันก็คือความต้านทานของโวลต์มิเตอร์นั้นไม่มีที่สิ้นสุดในทางทฤษฎีเท่านั้นซึ่งในกรณีนี้จะมีการไหลของกระแสไฟฟ้า แต่มีขนาดเล็กที่สามารถใช้โวลต์มิเตอร์ของความต้านทานที่กำหนดไว้ล่วงหน้าได้

ใครสามารถอธิบายได้ว่าฉันอยู่ในแนวที่ถูกต้องกับเรื่องนี้และช่วยฉันอธิบายสิ่งนี้ด้วยคำศัพท์ที่ชัดเจนหรืออย่างน้อยก็ทำให้ฉันไม่เข้าใจสมมติฐานและบอกความคิดที่ถูกต้องกับฉัน

ความยากลำบากพื้นฐานน่าจะเป็นความเชื่อที่ว่าบางกระแสต้องไหลเพื่อวัดแรงดันไฟฟ้า นี่เป็นเท็จ เนื่องจากคุณเป็นครูฟิสิกส์ฉันจะอธิบายโดยการเปรียบเทียบกับระบบทางกายภาพอื่น ๆ

สมมติว่าเรามีภาชนะที่ปิดสนิทสองขวดแต่ละขวดบรรจุของเหลว เราต้องการวัดความแตกต่างของแรงกดดันระหว่างพวกเขา เช่นเดียวกับแรงดันไฟฟ้าความดันสัมพัทธ์คือความต่างศักย์

เราสามารถเชื่อมต่อพวกมันเข้ากับหลอดซึ่งถูกบล็อกอยู่ตรงกลางโดยไดอะแฟรมยาง ของเหลวบางชนิดจะเคลื่อนที่ในตอนแรก แต่จนกระทั่งไดอะแฟรมเหยียดเพื่อปรับสมดุลแรงของของเหลวที่ทำกับมัน จากนั้นเราสามารถสรุปความแตกต่างของแรงดันจากการโก่งตัวไดอะแฟรม

สิ่งนี้สอดคล้องกับคำจำกัดความของการต่อต้านแบบไม่มีที่สิ้นสุดในการเปรียบเทียบไฟฟ้าเนื่องจากเมื่อระบบนี้มีความสมดุลจึงไม่มีกระแสไฟฟ้าไหล (ละเลยการแพร่กระจายผ่านไดอะแฟรมซึ่งสามารถทำให้มีขนาดเล็กตามอำเภอใจและไม่จำเป็นสำหรับการทำงานของอุปกรณ์)

แต่ก็ไม่ได้มีคุณสมบัติเป็นอนันต์ต้านทานเพราะมีไม่ใช่ศูนย์ความจุ ในความเป็นจริงอุปกรณ์นี้เป็นแบบจำลองทางจิตที่ชื่นชอบของ Bill Beaty ของตัวเก็บประจุ :

ในความเป็นจริงมีอุปกรณ์ที่วัดแรงดันไฟฟ้าที่ทำงานแบบอะนาล็อก สโคปส่วนใหญ่ตกอยู่ในประเภทนี้ ตัวอย่างเช่นอิเล็กโตรสโคปแบบลูกบอล:

อุปกรณ์เหล่านี้หลายรุ่นมีอายุมากและต้องใช้แรงดันไฟฟ้าสูงมากในการทำงาน อย่างไรก็ตามมอสเฟตที่ทันสมัยนั้นโดยพื้นฐานแล้วจะมีขนาดเท่ากันในระดับจุลภาคเนื่องจากอินพุตของพวกเขาดูเหมือนเป็นตัวเก็บประจุ แทนการเบี่ยงเบนลูกบอลแรงดันจะปรับค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์:

MOSFET ทำงานโดยการเปลี่ยนค่าความนำไฟฟ้าของช่องสัญญาณระหว่างแหล่งจ่าย (S) และท่อระบายน้ำ (D) เป็นฟังก์ชันของแรงดันไฟฟ้าระหว่างเกต (G) และขนาดใหญ่ (B) เกทถูกแยกออกจากส่วนที่เหลือของทรานซิสเตอร์โดยปกติจะเป็นชั้นบาง ๆ ของซิลิคอนไดออกไซด์ (สีขาวในภาพด้านบน) เป็นฉนวนที่ดีมากและเช่นเดียวกับอุปกรณ์ไดอะแฟรมก่อน ของอุปกรณ์ จากนั้นเราสามารถวัดค่าการนำไฟฟ้าของช่องสัญญาณและกระแสที่ไหลในช่องนี้สามารถจ่ายได้ด้วยแบตเตอรี่แยกต่างหากไม่ใช่อุปกรณ์ที่อยู่ระหว่างการทดสอบ ดังนั้นเราสามารถวัดแรงดันไฟฟ้าที่มีความต้านทานอินพุทสูงมาก

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

มันค่อนข้างง่ายที่จะสร้างโวลต์มิเตอร์ที่จะมีกระแสอินพุททั่วไปของ fA สองสามตัวที่อุณหภูมิห้อง นั่นคือยังคงนับหมื่นอิเล็กตรอนต่อวินาที

คุณสามารถสร้างโวลต์มิเตอร์ (ในทางทฤษฎีแล้ว) ซึ่งจะดึงกระแสคงที่เป็นศูนย์จากแหล่งกำเนิดโดยการพูด (สมดุล) กองกำลังไฟฟ้าสถิตผ่านช่องว่างด้วยแรงแม่เหล็กหรือเชิงกล หากลูกถ้วยไม่รั่วและอุปกรณ์อยู่ในสุญญากาศจะไม่มีกลไกสำหรับการไหลของกระแสเกินกว่าสิ่งที่จะทำให้เท่ากันศักยภาพบนใบวัดด้วยแรงดันที่ไม่รู้จัก

MOSFET ทำงานคล้ายกับกลไกที่อธิบายไว้ข้างต้นว่าไม่มีการไหลของอิเล็กตรอน (ไปหรือออกจากเกต) ที่จำเป็นในการทำให้มันทำงานเมื่อเกตถูกชาร์จเข้ากับแรงดันไฟฟ้าอินพุต การรั่วไหลของประตูใด ๆ เป็นหน้าที่ของความไม่สมบูรณ์และโครงสร้างเสริมเช่นเครือข่ายป้องกัน ESD เซลล์หน่วยความจำขนาดเล็กและไม่มีการป้องกันอาจจะรั่วไหลหนึ่งอิเล็กตรอนต่อวันซึ่งค่อนข้างใกล้เคียงกับความสมบูรณ์แบบ หากประตูดังกล่าวสามารถเชื่อมต่อกับแหล่งที่มาของคุณโดยไม่สูญเสียการรั่วไหล (หรือการแตกของบางเกตออกไซด์ที่มีแรงดันไฟฟ้ามากเกินไป) มันก็เกือบจะสมบูรณ์แบบยกเว้นการรั่วไหลเล็กน้อยและค่าประจุของประตู

โวลต์มิเตอร์ทางทฤษฎีอย่างที่คุณจะพบในโปรแกรมการจำลองวงจรจะมีความต้านทานไม่ จำกัด แต่โวลต์มิเตอร์จริงใด ๆ จะมีความต้านทานแน่นอนและจะอนุญาตให้กระแสไหล

DVM ของฉันมีอินพุตความต้านทาน> 1 GOhm ในช่วง 400 mV AC หรือ DC และ 10 MegOhm ในช่วงอื่น ๆ

ดูเหมือนว่าไม่มีใครตอบคำถามพื้นฐานว่าโวลต์มิเตอร์ที่สมบูรณ์แบบในทางทฤษฎีทำงานอย่างไร มันไม่สามารถ ในที่สุดคุณก็ลงไปสู่กลศาสตร์ควอนตัมและกฎของไฮเซนเบิร์กที่คุณไม่สามารถวัดอะไรได้โดยไม่กระทบกับมันในระดับหนึ่ง ในเครื่องวัดแรงดันไฟฟ้าคุณจะต้องเสียค่าใช้จ่ายในการส่งต่อเพื่อสร้างศักยภาพในการทรงตัวที่คุณใช้ในการเคลื่อนย้ายอุปกรณ์บ่งชี้ของคุณ แน่นอนว่า Sphero ได้ชี้ให้เห็นแล้วโวลต์มิเตอร์ที่ใช้งานได้จริงทั้งหมดนั้นอยู่ไกลจากขีด จำกัด ของไฮเซนเบิร์ก

ผมคิดว่าในการที่จะตอบคำถามนี้เป็นวิธีการสอนที่จะถามพวกเขาว่าทำไมพวกเขาไม่คิดว่าต้านทานอนันต์เป็นปัญหาในการสั่งซื้อเพื่อวัดแรงดันไฟฟ้า

ไม่มีความจำเป็นขั้นพื้นฐานสำหรับกระแสไหลเพื่อวัดแรงดันไฟฟ้า ... ฉันคิดว่าการสนทนาจะน่าสนใจสำหรับพวกเขาที่จะเข้าใจกระแสไฟฟ้าและเซ็นเซอร์โดยทั่วไป

โวลต์มิเตอร์ต้องมีความต้านทานภายในสูงจึงไม่รบกวนการทำงานของวงจร ฉันคิดว่าคุณสามารถพูดคุยเกี่ยวกับแอมแปร์ - เมตร: ถ้าพวกเขาเชื่อมต่อในซีรีส์พวกเขาจะต้องมีความต้านทานต่ำ แต่มีบางเมตรแอมป์ที่ไม่จำเป็นต้องเป็นส่วนหนึ่งของวงจรไฟฟ้า (ตามขดลวด Rogowski เป็นต้น)

แก้ไข: บางทีคุณอาจใช้การเปรียบเทียบกับความดัน / การไหลของน้ำ

มีโวลต์มิเตอร์แบบไฟฟ้าสถิตที่มี "กระแส" เป็นศูนย์แน่นอน โดยพื้นฐานแล้วพวกมันทำงานโดยการให้แรงไฟฟ้าสถิตเคลื่อนที่เข็มตัวบ่งชี้ที่สมดุลเกือบจากจุดดุลยภาพ

ตอนนี้ในขณะที่โวลต์มิเตอร์เหล่านั้นไม่ได้ใช้เป็นศูนย์ถาวรปัจจุบันของหลักสูตรค่าใช้จ่ายยังคงต้องสร้างสนามเพื่อที่จะก่อให้เกิดผลกระทบและทำให้ถูกเก็บไว้ในโวลต์มิเตอร์ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุมากกว่าตัวต้านทาน และถ้าเข็มทำงานกับความต้านทานอากาศประจุจะลดลงที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าค่าเฉลี่ยเมื่อเข้าสู่โวลต์มิเตอร์ดังนั้นจึงมีงานทำแม้จะไม่มีการใช้กระแสไฟฟ้าสุทธิหลังจากแรงดันไฟฟ้าลดลงเป็นศูนย์อีกครั้ง

โวลต์มิเตอร์แบบดิฟเฟอเรนเชียลในทางทฤษฎีมีความต้านทานอินพุตไม่สิ้นสุดเมื่อพวกมันถูกทำให้เป็นโมฆะ พวกเขาวัดแรงดันไฟฟ้าโดยการปรับแหล่งจ่ายแรงดันภายในให้ตรงกับแรงดันไฟฟ้าอินพุตตามที่ระบุโดยการอ่านค่าศูนย์บนมิเตอร์ ในทางปฏิบัติความต้านทานอินพุตจะถูก จำกัด โดยผลกระทบการรั่วไหล แต่ในทางทฤษฎีไม่มีกระแสไฟฟ้ามาจากแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้อีก

คุณพูดถึงความแตกต่างระหว่างความต้านทานอินพุตอนันต์เชิงทฤษฎีกับโวลต์มิเตอร์ที่ใช้งานได้จริง โวลต์มิเตอร์ที่ดีอาจมีความต้านทานอินพุตของคำสั่งเป็นสิบ megohms อย่างน้อยที่สุด แต่ก็ไม่มีที่สิ้นสุด กระแสเล็ก ๆ จะไหลและเครื่องขยายสัญญาณอินพุตในโวลต์มิเตอร์จะใช้เพื่อทำการวัด

แน่นอนมิเตอร์แบบเคลื่อนไหวแบบม้วนเก่า ๆ จะดึงกระแส 50uA หรืออาจเท่ากับ 1mA ในกรณีของมิเตอร์ที่ทำในราคาถูกจริง ๆ

เนื่องจากอินฟินิตี้เป็นแนวคิดทางทฤษฎีเราสามารถใช้การคิดแบบแคลคูลัสเพื่ออธิบายได้ เมื่อความต้านทานของมิเตอร์เข้าใกล้อินฟินิตี้กระแสก็จะเข้าใกล้ศูนย์ แม้ว่าเราจะไม่ได้อยู่ที่นั่น แต่เราก็เข้าใกล้พอที่จะเชื่อได้

นอกจากนี้ยังควรค่าแก่การกล่าวถึงว่าอาจมีโวลต์มิเตอร์ชนิดอื่นที่ไม่ได้ใช้กระแสไฟฟ้า ในการทดสอบไฟฟ้าสถิตย์เราสังเกตว่าวัตถุที่มีประจุสองตัวกำลังขับไล่กัน พวกมันดันห่างจากแรงประจุและไม่กินกระแสไฟฟ้าใด ๆ ดังนั้นหนึ่งอาจสร้างโวลต์มิเตอร์จากที่ - อย่างน้อยในทางทฤษฎี

คำอธิบายและความคิดของคุณคือ "ถูกต้อง" "จริง" (เมื่อเทียบกับทฤษฎี) โวลต์มิเตอร์, ไม่วาดบางอย่างในปัจจุบันเพื่อสร้าง "การอ่าน". ด้วยการใช้แอมพลิฟายเออร์ (และ / หรือวิธีอื่น ๆ ) เราสามารถเข้าใกล้ขีด จำกัด ทางทฤษฎีของอิมพีแดนซ์อินพุตแบบอนันต์ แต่ไม่สามารถเข้าถึงได้ ดังนั้นสิ่งที่คุณต้องอธิบายให้นักเรียนฟังคือว่าถูกต้องมันเป็นไปไม่ได้เลยที่จะได้การวัดที่สมบูรณ์แบบโดยไม่กระทบต่อสิ่งที่ถูกวัด อย่างไรก็ตามหากเราสามารถยอมรับการวัดที่น้อยกว่าที่สมบูรณ์แบบได้แล้วก็สามารถทำได้