Elektrofeldmeter

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Elektrofeldmeter mit Anzeige von Abstand und Spannung. Die Stäbe ausIsolierstoff helfen, einen definierten Abstand bei Spannungsmessung einzuhalten

EinElektrofeldmeter, auchelektrisches Feldmeter,Rotationsvoltmeter oderFeldmühle (englisch„field mill“) genannt, ist ein Gerät zur Messung derelektrischen Feldstärke. Bei definierter Messentfernung zu einem Objekt kann es alsSpannungsmessgerät verwendet werden.

Wie auch dasElektroskop entzieht das Elektrofeldmeter dem zu messenden Objekt keine Energie und verfälscht somit das Messergebnis nicht, ist aber viel empfindlicher. Abhängig von der Bauweise kann eine Auflösung bis herab zu 10 V/m (für Rotationsvoltmeter, bei handlicheren Elektrofeldmetern nur bis etwa 1 kV/m) erreicht werden.

Funktionsweise

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Signalverarbeitung in der Feldmühle. ➀ Flügelrad; ➁ Sensorplatten; ➂ Gegenplatte; ➃ Lichtschranke; ➄ Motor; ➅ Verstärker; ➆ Multiplizierer; ➇ Tiefpass; ➈ Anzeige

Prinzip der Feldmühle in der Abwicklungsansicht

An der Vorderseite der Geräte befindet sich einvergoldeter elektrostatischer Chopper (Flügelrad, daher rührt auch die Bezeichnung „Feldmühle“).^[1]^[2]Gold verringert laut einiger Hersteller^[3]^[4] den Messfehler, da es in derElektrochemischen Spannungsreihe eine ähnliche Position wie Sauerstoff hat. Das Flügelrad gibt periodisch Fensteröffnungen frei und verschließt sie wieder. Deshalb kann sich die Sensorelektrode hinter dem Chopper durchInfluenz des externen elektrischen Feldes abwechselnd auf- und entladen. Diese Ladungsänderung kann unterschiedlich gemessen werden:

Im einfachsten Fall wird die Sensorelektrode über einen sehr hochohmigen Widerstand geerdet, um eine ausreichend großeZeitkonstante zu erzielen. Daran erzeugt der Umladestrom eine Wechselspannung, die über einenSpannungsfolger (Elektrometerverstärker) niederohmig gemacht wird.
Bei höheren Ansprüchen erzeugt einLadungsverstärker die Messspannung. Dieser sorgt durch seinenvirtuellen Nullpunkt dafür, dass die Sensorplatte stets auf Nullpotential bleibt, was die Isolationsprobleme drastisch verringert.

Nach ausreichender Verstärkung wird die Wechselspannung in einemSynchrongleichrichter, dessen Umschaltfrequenz mit der Rotationsfrequenz des Flügelrades übereinstimmt, gleichgerichtet und angezeigt. Auf diese Weise kann die Polarität der Spannung beziehungsweise die Richtung des elektrischen Feldes bestimmt werden.

Dieses Prinzip ermöglicht,statische elektrische Ladungen undFelder zu bestimmen, ohne ihnen Energie zu entnehmen – zur Messung fließt kein Strom.

Anwendungen

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Feldmühle amKennedy Space Center in Florida.

Aus den gemessenen Feldstärken kann man auf benachbarte Oberflächenladungen schließen, die unter anderem inelektrostatisch geschützten Bereichen (ESD-Arbeitsplätzen) und bei der Herstellung und Verpackung elektronischer Bauteile und Komponenten vermieden werden müssen. Sie könnten zuelektrostatischen Entladungen führen.

In der Meteorologie und Klimaforschung werden Veränderungen des elektrischen Feldes in der Erdatmosphäre gemessen, die durch Wettererscheinungen wie Gewitter, Kalt- bzw. Warmfrontdurchgänge, Regenwolken und andere elektrostatische Phänomene in der Atmosphäre erzeugt werden. Notfalls werden Raketenstarts verschoben.^[5]