¿Cuál es el rango máximo de medición de voltaje?

Es una pregunta interesante y a menudo me pregunto si alguna otra tecnología funciona en un rango tan amplio.

  

Me atrevería a suponer que existe un límite físico en el rango de voltajes que se pueden medir prácticamente en un circuito eléctrico.

Excepto tal vez para fenómenos naturales extremos, el límite de voltaje superior será para la medición de voltajes hechos por el hombre. La industria de distribución de energía eléctrica utiliza voltajes de hasta un millón de voltios para sistemas de transmisión de CC de larga distancia. Ya que monitorean las lecturas de voltaje de línea a 1 MV se hacen rutinariamente. Los laboratorios que prueban el aislamiento para dichos sistemas tendrán que generar voltajes muy por encima y medirán los voltajes generados.

Figura1.Paramedicionesdevoltajeultraalto,sussondasdemultímetronoseránsuficientes.Fuente: HF-Instruments .

Para mediciones de baja tensión, el sujeto es más complicado debido al ruido. El Manual de bajo nivel de Kiethley es una excelente lectura sobre el tema.

Figura 2. Medición de voltaje y tipos de instrumentos. El blanco es posible, el gris es complicado y el negro es imposible.

  

El límite teórico de sensibilidad en cualquier medición está determinado por   El ruido generado por las resistencias presentes en el circuito. Como se discutio   en las Secciones 2.6.5 y 3.2.6, el ruido de voltaje es proporcional a la raíz cuadrada   de la resistencia, ancho de banda, y temperatura absoluta.   La Figura 1-2 muestra los límites teóricos de medición de voltaje a temperatura ambiente (300 K) con un tiempo de respuesta de 0,1 segundos a diez segundos. Tenga en cuenta que la alta resistencia de la fuente limita la sensibilidad teórica de la medición de voltaje. A pesar de que   ciertamente es posible medir una señal de 1μV que tiene un 1   Ω   resistencia de la fuente, no es posible medir ese mismo nivel de señal de 1μV desde 1TΩ   fuente. Incluso con un 1MΩ mucho más bajo   resistencia de la fuente, una medición de 1μV está cerca de los límites teóricos, por lo que sería muy difícil hacer uso   un DMM ordinario.

Fluke (un fabricante de voltímetros) ofrece sondas de medición manuales para 6 kV, 15 kV, 40 kV. También hay voltímetros electrostáticos (raramente vistos fuera de los laboratorios) que pueden funcionar significativamente más alto. Ben Franklin pudo haber usado un electroscopio de bola de médula. para hacer mediciones en este rango ...

Los altos voltajes generalmente se evitan, por supuesto. Las bobinas de encendido de automóviles, los microscopios electrónicos y las máquinas de rayos X pueden tener un alto nivel interno voltajes, pero uno normalmente no los abre y aplica un voltímetro.

Un límite físico es la descarga de corona en el aire (el fuego de San Elmo). Aislamiento La descomposición de otros materiales también puede ser un problema, pero un cable de alta tensión generalmente será muy grueso o tendrá un aislamiento grueso, porque de lo contrario rompería los enlaces químicos de Gases atmosféricos, que producen iones y ozono y corroen en general todo. a la vista.

¿Qué consideras práctico? Veamos los límites de lo que es posible .

Algunas de las otras respuestas aquí han dado buenos ejemplos de voltajes altos y bajos que son prácticos de medir, pero me gustaría dar un par de ejemplos que empujan los límites un poco más. Al final del día, la mayoría de los ejemplos que las personas han dado son en su mayoría para equipos de medición estándar, por lo que están dirigidos por los límites de lo que existe en el mercado. Si no tiene sentido intentar medir voltajes por debajo de un nanovoltio debido al ruido térmico, nadie intentará hacer un multímetro para hacer eso. Pero si elimina el ruido térmico, puede realizar mediciones por debajo de los nanovoltios. Lo que me lleva a mi primer ejemplo:

Puente de resistencia SQUID: 100fV = 1E-13V Aquí es parte de un circuito que construí durante mi doctorado. Queríamos medir la resistencia de pequeñas muestras en un refrigerador de dilución, a 0.01 grados por encima del cero absoluto. No pudimos pasar grandes corrientes a través de las muestras o se calentaron, por lo que necesitábamos un sistema de medición de voltaje muy preciso. Aquí está:

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

El voltaje mínimo que puede medir con este circuito depende del ruido térmico y la corriente de ruido en el SQUID. Pero al ajustar la resistencia de Rref, puede deshacerse del ruido SQUID y aumentar el ruido térmico. Así que, en realidad, solo está limitado por el ruido térmico: si mueve este circuito a un refrigerador con demag nuclear, obtendrá un rendimiento aún mejor, pero por lo que sé, eso nunca se ha hecho.

Lightning: > 100MV = 1E8V

Los mayores voltajes hechos por el hombre en varios laboratorios de física no alcanzan lo que la naturaleza puede lograr, por lo que si queremos ver una gran medición de voltaje, debemos mirar a los grupos de investigación que estudian los rayos. Este está fuera de mi área de experiencia, pero un vistazo rápido a Google sugiere que se han registrado rayos de 120MV. No puedo encontrar la forma en que se midió, pero puedo aventurar una conjetura: una forma (ligeramente cruda) de medir el voltaje es medir qué tan lejos viaja una chispa a través del aire. Sabemos que el aire sufre una ruptura dieléctrica una vez que el campo eléctrico alcanza los 3MV / m. Entonces, si el rayo viaja 40 m por el aire, entonces la diferencia de potencial fue de 120MV antes de la descarga. Podría argumentar que no es realmente una medición de voltaje como tal, en cuyo caso el kit de medición de la línea de transmisión HVDC en la respuesta del Transistor probablemente esté bastante cerca, un poco por encima de 1MV.

Aparte Una de las otras respuestas comenta que el rango dinámico es muy grande, y se pregunta si hay algo que podamos medir con un rango más alto. El rango de mis dos ejemplos es de aproximadamente 10 ^ 21. Pero una cosa que podemos medir mejor es el tiempo, podemos medir transiciones de líneas atómicas tan cortas como 10 ^ -17 segundos indirectamente por espectroscopia, y la edad del universo como 10 ^ 16 segundos. Eso da un rango total de 10 ^ 33.