Electrómetro de Szilard

cámara de ionización
  • Nombre: Electrómetro de Szilard
  • Constructor/Marca: Electrometre Szilard
  • País: Francia.
  • Datación: c. 1900
  • Ubicación actual: Instituto de Tecnologías Físicas y de la Información Leonardo Torres Quevedo (ITEFI).

Descripción
Esquema del electroscopio de Szilard

En esta ficha describimos un magnífico electrómetro procedente del antiguo Laboratorio de Radiactividad de Madrid.

El electrómetro diseñado por Bela Szilard, construido de latón y aluminio, supuso un avance en las investigaciones sobre sustancias radiactivas debido a que mejora de manera significativa la sensibilidad del banco de medida.

Una de las placas tiene forma (y función) de aguja indicadora, es móvil y se encuentra suspendida por un hilo de torsión. El instrumento cuenta con un ocular graduado para observar las medidas.

El instrumento de nuestra colección se utilizaba, con toda probabilidad, para realizar medidas de rutina de gran precisión, aunque en casos de niveles muy bajos de radiación tendrían que recurrir al método de Curie, que también tenían implementado.

En los primeros tiempos de la investigación sobre la radiactividad los métodos que se utilizaron para medir la actividad de las muestras fueron, básicamente, los tres siguientes, basados en la corriente producida en una cámara de ionización.

Esquema Electroscopio de Curie

1. El procedimiento electroscópico, en el que se estimaba la actividad por la velocidad de descarga de un electroscopio al que se conectaba una cámara de ionización que contenía el material radiactivo. El electroscopio se solía cargar a una tensión relativamente alta, obtenida por medio de una varilla de vidrio frotada. Como es evidente,  este era el procedimiento preferido por los geólogos e ingenieros de minas que necesitaban llevar a cabo medidas de radiactividad en el campo, para lo cual se desarrollaron diferentes electroscopios portátiles con cámara de ionización asociada (Fig. 1). Este tipo de instrumentos se utilizaba también en medicina, para determinar las dosis de radiación.

Si tuviéramos que elegir un prototipo de aparato de esta clase, sin duda elegiríamos el diseñado por Pierre Curie.

2. El método diseñado por Marie Curie, compuesto por los tres elementos separados: cámara, electrómetro y fuente de corriente piezoeléctrica, tratado en otro lugar de este museo.

Electrómetro de cuadrantes de Lord Kelvin

3. El método de cámara y electroscopio separados, utilizado por Rutherford en sus primeras medidas sobre radiactividad. Como representante de este método se puede consultar el esquema de medida que aparece en el trabajo "Uranium Radiation and the Electrical Conduction Produced by It" y que reproducimos en la ficha de las cámaras de ionización (Fig. 2).

El método de medida consiste en determinar la corriente de ionización a partir de la variación de tensión medida por el electrómetro.
La cámara de ionización, de acuerdo con las indicaciones de Rutherford, está formada por dos placas de zinc de 20 centímetros cuadrados separados por una distancia de 4 centímetros y con una diferencia  de potencial de 50 voltios.

Para medir la tensión de la cámara se utilizaba una configuración heterostática del electrómetro de cuadrantes (Fig. 2) introducido por Kelvin en 1860; de este instrumento se fabricaron innumerables variantes, entre ellas las construidas por Pierre Curie entre 1880 y 1890.

El electrómetro de Szilard

El problema de la determinación de bajas corrientes utilizando el método de Rutherford, con electrómetros de tipo electrostático, es la gran capacidad parásita que introducen en el sistema de medida.
En el caso del citado montaje utilizado por Rutherford, las dos placas de que consta la cámara de ionización forman un condensador de algo menos de 0,5 picofaradios de capacidad; polarizado con una batería de 50 voltios y con las dos armaduras a tierra, como se encuentra al comienzo del proceso de medida, adquiere una carga de unos 25 picoculombios (2,5·10-11 culombios).

Como la tensión inicial de la placa es nula, como hemos dicho, a lo largo del proceso irá disminuyendo la carga de la placa de la cámara conectada al electrómetro. Si la capacidad total de todo el sistema de medida, C, es del orden de los 100 picofaradios (10-10 faradios), la variación de voltaje en un proceso de descarga total (que se debe evitar) es de:
V = Q / C = 2,5·10-11 / 1·10-10 = 0,25 voltios.


cámara de ionización con voltímetro

En el caso de un electrómetro de cuadrantes de buena calidad  la sensibilidad es de unos 50 milivoltios por centímetro de desviación en una regla transparente situada a 1 metro de distancia del instrumento; los 250 milivoltios producirían una desviación de unos 5 centímetros, que se recorrería en unos 100 segundos para una corriente de 10-12  amperios; a nuestro parecer en el límite de lo deseable para  realizar una buena observación.

cámara de ionización con voltímetro

La idea de Szilard al diseñar este electrómetro fue la de disminuir la capacidad del instrumento, de manera que la variación de la diferencia de potencial entre armaduras de la cámara producida por la corriente de ionización fuese lo más alta posible.

Para ello construyó una pieza en U de unos 3 centímetros de longitud y 1 centímetro de profundidad del canal, curvado para que se adapte a una circunferencia de un radio aproximado de 1,5 centímetros.

Dentro del canal de la pieza anterior se movía la aguja del instrumento (Imagen). Esta aguja, perfectamente equilibrada, gira en torno al punto C. En unos modelos lo hace mediante un eje apoyado en dos cojinetes de rubí (del tipo de los utilizados en el volante de un reloj) y en otros queda suspendido por un hilo de hacer o de cuarzo metalizado que está eléctricamente conectado a tierra. La aguja se desplaza por una escala con el cero en un extremo. El conjunto tiene la forma siguiente:

El hilo está sujeto a un tornillo que se puede girar, de manera que se sitúe la aguja en el cero de la escala indicadora.

El funcionamiento del instrumento es muy sencillo; la pieza fina está aislada y atraviesa la carcasa por medio de un pasamuros de ebonita, terminando en el borne de medida. Para medir una diferencia de potencial respecto a tierra se conecta este borne al potencial que se quiere determinar. Esto induce una carga en la pieza móvil que determina el movimiento de ésta introduciéndose en la pieza fija.

Pieza en U y aguja del electrómetro

El objetivo diseño de este electrómetro es, como hemos indicado, disminuir la capacidad del condensador de medida para aumentar la sensibilidad del banco de medida. En vez los 100 picofaradios típicos de un electrómetro de cuadrantes, el electrómetro de Szilar tiene tan sólo unos 10 picofaradios (aunque el condensador de medida no llega a 5 picofaradios); esto aumenta la sensibilidad del método de Rutherford hasta 10-13 amperios, casi comparable a la del sistema de fuente de carga de Curie.
Este aumento de sensibilidad, unido a la menor inercia de la aguja, permite prescindir del cuarzo piezoeléctrico,  extraordinariamente difícil de manejar; recordemos que la medida se realiza haciendo disminuir, dosificando la sujeción ejercida con la mano,  la fuerza de la pesa sobre el platillo.

El instrumento de nuestra colección se utilizaba, con toda probabilidad, para realizar medidas de rutina de gran precisión, aunque en casos de niveles muy bajos de radiación tendrían que recurrir al método de Curie, que también tenían implementado.

Un último comentario sobre este instrumento. Fabricado en Paris, tiene grabadas las letras  Bte SGDG. Que corresponde a: Breveté SGDG, abreviacion de Sans Garantie du Gouvernement (fabricado sin garantía gubernamental). Esta inscripción fue obligatoria en Francia desde 1844 hasta 1968.

Electrómetro de Szilard
Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. Aparatos e Instrumentos Científicos del CSIC. Electrómetro de Szilard.
Autores de la Ficha: J.M. López Sancho / Esteban Moreno Gómez
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