ما هي الأجهزة الكهروستاتيكية؟

ما هي الأجهزة الكهروستاتيكية؟

تعريف الجهاز الكهروستاتيكي

يُعرَّف الجهاز الكهروستاتيكي بأنه جهاز يستخدم المجالات الكهربائية الثابتة لقياس الجهد، عادةً ما يكون جهودًا عالية.

مبدأ العمل

كما يشير الاسم، تستخدم الأجهزة الكهروستاتيكية المجال الكهربائي الثابت لإنتاج عزم الدوران. عادةً ما يتم استخدامها لقياس الجهود العالية ولكن يمكنها أيضًا قياس الجهود المنخفضة والطاقة في بعض الحالات. هناك طريقتان يمكن أن تعمل بهما القوة الكهروستاتيكية.

أنواع التركيب

في إعداد واحد، تكون لوحة واحدة ثابتة بينما الأخرى حرة في الحركة. تكون اللوحتان مشحونتين بشكل معاكس، مما يخلق قوة جذب تحرك اللوحة المتحركة نحو اللوحة الثابتة حتى يتم تخزين الطاقة الكهروستاتيكية القصوى.

في الإعداد الآخر، يمكن أن تكون القوة جاذبة أو دافعة أو كلاهما، بسبب الحركة الدورانية لللوحة.

معادلة العزم

لنفترض وجود لوحتين: اللوحة A مشحونة بشكل موجب، واللوحة B مشحونة بشكل سالب. اللوحة A ثابتة، واللوحة B حرة في الحركة. يوجد قوة F بين اللوحات عند التوازن عندما تساوي القوة الكهروستاتيكية قوة الربيع. الطاقة الكهروستاتيكية المخزنة في اللوحات عند هذه النقطة هي:

الآن لنفترض أننا نزيد الجهد المطبق بمقدار dV، نتيجة لذلك تتحرك اللوحة B نحو اللوحة A بمقدار dx. العمل الذي يتم ضد قوة الربيع بسبب ازاحة اللوحة B هو F.dx. الجهد المطبق مرتبط بالتيار كما يلي

من هذا القيمة للتيار الكهربائي يمكن حساب الطاقة المدخلة كـ

من هذا يمكننا حساب التغير في الطاقة المخزنة وهو يخرج ليكون

عن طريق تجاهل المصطلحات ذات الدرجة العليا التي تظهر في المعادلة. الآن بتطبيق مبدأ حفظ الطاقة لدينا الطاقة المدخلة إلى النظام = زيادة في الطاقة المخزنة للنظام + العمل الميكانيكي الذي يقوم به النظام. من هذا يمكننا كتابة،

من المعادلة أعلاه يمكن حساب القوة كـ

الآن دعنا نشتق معادلة القوة والعزم للأجهزة الكهروستاتيكية الدورانية. يتم عرض الرسم البياني أدناه،

لإيجاد التعبير عن عزم الدوران في الأجهزة الكهروستاتيكية الدورانية، استبدل F في المعادلة (1) بـ Td و dx بدA. المعادلة المعدلة لعزم الدوران هي:

في حالة الاستقرار، يكون عزم التحكم Tc = K × A. يمكن كتابة الانحراف A كـ:

من هذا التعبير نستنتج أن انحراف المؤشر يتناسب طردياً مع مربع الجهد المراد قياسه وبالتالي سيكون المقياس غير منتظم. دعنا الآن نناقش عن جهاز الكواترانت الكهربائي. 

يتم استخدام هذا الجهاز عادةً في قياس الجهد من 100 فولت إلى 20 كيلو فولت. مرة أخرى فإن عزم الدوران المحصل عليه في جهاز الكواترانت الكهربائي يتناسب طردياً مع مربع الجهد المطبق؛ أحد مزايا هذا هو أنه يمكن استخدام هذا الجهاز لقياس الجهود المتناوبة والمستمرة. 

أحد مزايا استخدام الأجهزة الكهروستاتيكية كمقياس للجهد هو أنه يمكننا توسيع نطاق الجهد المراد قياسه. الآن هناك طريقتان لتوسيع نطاق هذا الجهاز. سنناقشهم واحداً تلو الآخر. 

(أ) باستخدام مقسومات الجهد المقاومة: يتم تقديم رسم تخطيطي لهذا النوع من التكوين أدناه.

الجهد الذي نريد قياسه يتم تطبيقه عبر المقاومة الكلية r ويتم توصيل المكثف الكهروستاتي عبر الجزء من المقاومة الكلية والذي يُشار إليه بـ r. الآن دعنا نفترض أن الجهد المطبق هو DC، إذن يجب أن نفترض أن المكثف المتصل له مقاومة تسرب لا نهائية. 

في هذه الحالة يكون عامل الضرب هو نسبة المقاومة الكهربائية r/R. يمكن تحليل التشغيل AC على هذا الدائرة بسهولة مرة أخرى في حالة التشغيل AC يكون عامل الضرب مساوياً لـ r/R.

(ب) باستخدام تقنية مضاعف المكثف: يمكننا زيادة نطاق الجهد المراد قياسه عن طريق وضع سلسلة من المكثفات كما هو موضح في الدائرة المعطاة.

دعنا نشتق التعبير عن عامل الضرب في رسم تخطيطي الدائرة 1. دعنا C1 تكون سعة مقياس الجهد وC2 تكون سعة المكثف المتسلسل. التركيب المتسلسل لهذه المكثفات يساوي السعة الكلية للدائرة.

الممانعة لمقياس الجهد هي Z1 = 1/jωC1، والممانعة الكلية هي:

يُعرف عامل الضرب بأنه نسبة Z/Z1، والتي هي 1 + C2 / C1. بهذه الطريقة، يمكننا زيادة نطاق قياس الجهد.

مزايا الأجهزة الكهروستاتيكية

• الميزة الأولى والأكثر أهمية هي أنه يمكننا قياس الجهود المتناوبة والمستمرة والسبب واضح حيث أن عزم الدوران يتناسب طردياً مع مربع الجهد.

• استهلاك الطاقة منخفض جداً في هذه الأنواع من الأجهزة لأن التيار المستهلك من قبل هذه الأجهزة منخفض جداً.

• يمكننا قياس قيم عالية من الجهد.

عيوب الأجهزة الكهروستاتيكية

• هذه الأجهزة باهظة الثمن مقارنة بأجهزة أخرى ولها حجم كبير.

• المقياس ليس منتظمًا.

• القوى المختلفة التي تعمل صغيرة في المقدار.

توسيع النطاق

يمكن توسيع نطاق القياس باستخدام مقسومات الجهد المقاومة أو مضاعفات المكثف.