電位計

箔検電器

箔検電器は、電荷を示すために使用された機器の1つである^[1]。現在でも科学の実験で用いられているが、ほとんどの用途では電子計測器に取って代わられている。この機器は、電極から吊り下げられた2枚の薄い金箔で構成されている。誘導または接触によって電極が帯電すると、金箔は同じ電荷を帯び、クーロン力によって互いに反発する。その離れ具合は、蓄積された正味の電荷を直接的に示している。金箔の反対側にあるガラスにはスズ箔が貼られており、金箔が完全に開いたときに地面に放電できるようになっている。隙間風から保護するためにガラスの容器に収められることが多く、電荷の漏れを最小限に抑えるために容器内を真空にすることもある。この原理は、石英繊維線量計やカーニー落下物計に見られるように、電離放射線の検出に用いられてきた。

このタイプの検電器は、較正することは可能であるものの、通常は測定器ではなく指示器として機能する。より頑丈なアルミニウム製の指示器を備えた較正可能な電位計は、フェルディナント・ブラウンによって発明され、1887年に初めて記述された。ブラウンによれば、標準的な箔検電器は、接眼マイクロメーターを用いることで0.1Vの分解能で約800Vまで測定可能である。4〜6kVまでの高電圧に対しては、ブラウンの機器は10Vの分解能を達成できる^[2][3]。

この機器は、18世紀にアブラハム・ベネット（1787年）^[4]やアレッサンドロ・ボルタなどの複数の研究者によって開発された。

初期の象限電位計

「象限電位計」という用語は最終的にケルビンの考案したものを指すようになったが、この用語は最初、より単純な装置を表すために使用されていた。その本体は、角度の目盛りがついた象牙の半円に取り付けられた木製の直立した軸で構成されている。軽いコルク玉が半円の中心にあるピボットから糸で吊り下げられ、軸と接触している。帯電した物体の上に機器を置くと、軸と玉が帯電して互いに反発する。反発の大きさは、半円上の糸と軸の間の角度を読み取ることで定量化されるが、測定された角度は電荷と正比例するわけではない^[5]。初期の発明者には、ウィリアム・ヘンリー（1770年）やオラス＝ベネディクト・ド・ソシュールが含まれる^[4]。

クーロンの電位計

ねじれを利用することで、金箔やコルク玉の反発よりも感度の高い測定が可能になる。この装置は、上部にガラス管を備えたガラス円柱で構成されている。管の軸にはガラス糸があり、その下端には両端に金メッキされたピスボール（髄球）がついたゴムラックの棒が保持されている。円柱の別の開口部からは、金メッキされた玉を備えた別のゴムラックの棒を挿入することができる。これはキャリアロッドと呼ばれる。

開口部に入れられたときにキャリアロッドの下側の玉が帯電していると、内部の可動玉の1つを反発する。ねじれ可能なガラス棒の上部には、指標と目盛り（図にはない）が取り付けられている。玉を元に戻すためにねじった角度は、キャリアロッドの玉の電荷量に正確に比例する。

キュー天文台の初代台長であったフランシス・ロナルズは、1844年頃にクーロンのねじり天秤に重要な改良を加え、改良された機器はロンドンの機器メーカーによって販売された^[6]。ロナルズはゴムラック棒の代わりに吊り下げられた細い針を使用し、キャリアロッドを針の平面上にある固定部品に置き換えた。両方とも金属製であり、吊り下げ線とその周囲の管も金属製であったため、ワイヤー接続を通じて針と固定部品に直接電荷をかけることができた。また、ロナルズはファラデーケージを採用し、測定値を連続的に記録するための写真撮影の試験も行った。これは、後述するケルビンの象限電位計の先駆けであった。

ペルティエ電位計

ジャン＝シャルル・ペルティエによって開発されたこの装置は、静電力と磁針のバランスをとることによって偏向を測定する一種の磁気コンパスを使用する。

ボーネンベルガー電位計

J・G・F・フォン・ボーネンベルガーによって開発されたボーネンベルガー電位計は、T・G・B・ベーレンスの発明に基づいており^[1]、乾電池（ザンボニー電池）の陽極と陰極の間に垂直に吊り下げられた1枚の金箔で構成されている。金箔に電荷が与えられると、どちらかの極に向かって移動するため、電荷の符号と大まかな大きさを測定することができる^[7]。

吸引電位計

「吸引円盤電位計」としても知られ^[1]、帯電した円盤間の引力を測定する高感度の天秤である。ウィリアム・スノー・ハリスがこの機器の発明者とされており、後にケルビン卿によって改良された。

ケルビンの象限電位計

ケルビン卿によって開発されたこの装置は、すべての機械式電位計の中で最も感度が高く正確なものである。元々の設計では、4つのセグメントに切り分けられたドラムの内部に吊り下げられた軽いアルミニウム製の扇形部品を使用している。セグメントは絶縁されており、対角線上にあるペア同士が接続されている。帯電したアルミニウムの扇形部品は、一方のペアのセグメントに引き付けられ、もう一方のペアから反発される。偏向は、検流計と同様に、扇形部品に取り付けられた小さな鏡から反射される光のビームによって観察される。右の版画は、閉じたセグメントの代わりに4枚の平板を使用した、わずかに異なる形態の電位計を示している。平板は、従来のように対角線上で外部に接続することも、特定の用途のために異なる順序で接続することもできる。

さらに感度の高い象限電位計は、フレデリック・リンデマンによって開発された。アルミニウムの扇形部品の代わりに金属でコーティングされた石英繊維を使用している。偏向は、顕微鏡下で繊維の動きを観察することによって測定される。当初は星の光の測定に使用されていたが^[要出典]、第二次世界大戦の初期段階では航空機の赤外線検出に用いられた^[要出典]。

いくつかの機械式電位計は、しばしば「鳥かご」と呼ばれるケージの中に収められていた。これは一種のファラデーケージであり、外部の静電荷から機器を保護する役割を果たしていた。

エレクトログラフ

エレクトログラフとして知られる装置を使用すると、電気の測定値を連続的に記録することができる。フランシス・ロナルズは1814年頃に初期のエレクトログラフを作成し、そこでは変化する電気が回転する樹脂コーティングされた板の上にパターンを描き出した。これは1840年代にキュー天文台とグリニッジ天文台で大気電気の変動の記録を作成するために採用された^[6]。1845年、ロナルズは大気電気を記録するための写真手法を発明した。感光面は、電位計も収容されたカメラボックスの開口絞りをゆっくりと通り過ぎ、電位計の指標の継続的な動きを痕跡として捉えた^[8]。ケルビンも1860年代に、自身の象限電位計（上記参照）に同様の写真手法を使用した。

振動容量型電位計

振動容量型電位計（振動リード電位計）は、可動電極（振動するリードの形）と固定入力電極の間に形成される可変コンデンサを使用する。2つの電極間の距離が変化すると、静電容量も変化し、電荷がコンデンサに出入りする。この電荷の流れによって生成される交流信号は増幅され、コンデンサに印加された直流電圧の類似値として使用される。電位計の直流入力抵抗はコンデンサの漏れ抵抗のみによって決定され、一般的に非常に高い（ただし、交流入力インピーダンスはそれより低い）。

使用の利便性のため、振動リードの組み立て部分はケーブルで電位計の他の部分に接続されていることが多い。これにより、測定対象の電荷の近くに比較的小さなユニットを配置し、はるかに大きなリード駆動部および増幅器のユニットを操作者にとって都合の良い場所に配置することができる^[11]。

真空管電位計

真空管電位計は、非常に高いゲイン（相互コンダクタンス）と入力抵抗を持つ特殊な真空管（熱電子管）を使用する。入力電流は高インピーダンスのグリッドに流れ込み、それによって生成された電圧は陽極（プレート）回路で大幅に増幅される。電位計用に設計された真空管は、数フェムトアンペア（10のマイナス15乗アンペア）という低い漏れ電流を持つ。ガラス管に残った塩分がこれらの微小電流の漏れ経路となる可能性があるため、このような真空管は手袋を着用した手で扱う必要がある^[12]。

「反転三極管」と呼ばれる特殊な回路では、陽極とグリッドの役割が逆転する。これにより制御電極がフィラメントを囲む空間電荷領域から最大距離に配置され、制御電極によって収集される電子の数が最小限に抑えられ、その結果として入力電流が最小化される^[13]。

半導体電位計

最も現代的な電位計は、1つ以上の電界効果トランジスタを使用する半導体増幅器、外部測定機器用の接続部、そして通常はディスプレイまたはデータロギング用の接続部で構成されている。増幅器は微小電流を増幅し、測定を容易にする。外部接続部は通常、同軸または3軸設計であり、電離放射線測定のためのダイオードまたは電離箱の接続を可能にする。ディスプレイまたはデータロギング用の接続部により、ユーザーはデータを確認したり、後で分析するために記録したりできる。電離箱で使用するために設計された電位計には、電離箱にバイアスをかけるための高電圧電源が含まれる場合がある。

半導体電位計は、電圧、電荷、抵抗、電流を測定できる多目的デバイスであることが多い。これらは「電圧バランシング」という方法で電圧を測定し、そこでは入力電圧が非常に高い入力インピーダンス（10の14乗オームのオーダー）を持つ電子回路を使用して内部の基準電圧源と比較される。電流電圧変換器として機能するように変更された同様の回路により、機器は数フェムトアンペアという小さな電流を測定できる。内部電圧源と組み合わせることで、電流測定モードは10の17乗オームのオーダーの非常に高い抵抗を測定するように適応させることができる。最後に、電位計の入力端子の既知の静電容量から計算することにより、機器はピコクーロンのわずかな一部に至る非常に小さな電荷を測定することができる。