Какви са електростатичните прибори?

Какви са електростатичните прибори?

Определение на електростатичен прибор

Електростатичен прибор се дефинира като устройство, което използва статични електрически полета за измерване на напрежението, обикновено високи напрежения.

Принцип на действие

Както подсказва името, електростатичните прибори използват статично електрическо поле за създаване на отклоняващ момент. Те обикновено се използват за измерване на високи напрежения, но в някои случаи могат да измерват и по-ниски напрежения и мощност. Има два начина, по които електростатичната сила може да действа.

Типове конструкции

В един вариант една плочка е фиксирана, а другата е свободна да се движи. Плочките са заредени с противоположни заряди, създавайки привлекателна сила, която движи подвижната плочка към фиксираната, докато се съхранява максимална електростатична енергия.

В друг вариант силата може да бъде привлекателна, отблъскваща или и двете, поради ротационното движение на плочката.

Уравнение за момента

Разглеждаме две плочки: Плочка A е положително заредена, а плочка B е отрицателно заредена. Плочка A е фиксирана, а плочка B е свободна да се движи. Съществува сила F между плочките при равновесие, когато електростатичната сила е равна на пружинната сила. Електростатичната енергия, съхранена в плочките в този момент, е:

Сега предположим, че увеличаваме приложното напрежение с количество dV, поради което плочка B се придвижва към плочка A на разстояние dx. Работата, извършена против пружинната сила поради преместването на плочка B, е F.dx. Приложеното напрежение е свързано с тока като

От тази стойност на електрическия ток входящата енергия може да бъде изчислена като

От тук можем да изчислим изменението в съхранената енергия, което излиза да е

При пренебрегване на по-високите порядкови членове, които се появяват в израза. Сега, прилагайки принципа за запазване на енергията, имаме, че входящата енергия в системата = увеличение на съхранената енергия в системата + механична работа, извършена от системата. От тук можем да запишем,

От горното уравнение силата може да бъде изчислена като

Сега нека изведем уравненията за сила и момент за ротационните електростатични прибори. Диаграмата е показана по-долу,

За да намерим израза за отклоняващия момент в ротационните електростатични прибори, замести F в уравнение (1) с Td и dx с dA. Модифицираното уравнение за отклоняващия момент е:

В равновесие контролния момент е Tc = K × A. Отклонението A може да бъде записано като:

От този израз заключаваме, че отклонението на указателя е пряко пропорционално на квадрата на напрежението, което трябва да бъде измерено, затова скалата ще бъде нееднородна. Нека сега обсъдим Квадрантния електрометър. 

Този прибор обикновено се използва за измерване на напрежение в диапазон от 100 В до 20 киловолта. Отново, отклоняващият момент, получен в Квадрантния електрометър, е пряко пропорционален на квадрата на приложеното напрежение; едно преимущество на това е, че този прибор може да се използва за измерване както на AC, така и на DC напрежения. 

Едно преимущество при използването на електростатични прибори като волтметри е, че можем да разширим диапазона на напрежението, което трябва да бъде измерено. Сега има два начина за разширяване на диапазона на този прибор. Ще ги обсъдим един по един. 

(a) Чрез използване на резистивни делители на потенциала: По-долу е показана схемата на този тип конфигурация.

Напрежението, което искаме да измерим, се прилага върху общата резистивност r, а електростатичният кондензатор е свързан върху част от общата резистивност, маркирана като r. Сега предположим, че приложеното напрежение е DC, тогава трябва да направим предположението, че свързаният кондензатор има безкрайна утечка резистивност. 

В този случай множителят за умножение е даден от отношението на електрическата резистивност r/R. Операцията с AC на този циркуит също може лесно да бъде анализирана, пак в случая на AC операция множителят за умножение е равен на r/R.

(b) Чрез използване на техника за умножение на кондензатора: Можем да увеличим диапазона на напрежението, което трябва да бъде измерено, като поставим серия от кондензатори, както е показано в дадената схема.

Нека изведем израза за множителя за умножение в Схемата 1. Нека C1 е капацитетът на волтметъра, а C2 е капацитетът на серийния кондензатор. Серийната комбинация на тези кондензатори е равна на общия капацитет на циркуита.

Импедансът на волтметъра е Z1 = 1/jωC1, а общият импеданс е:

Множителят за умножение е дефиниран като отношението Z/Z1, което е 1 + C2 / C1. По този начин можем да увеличим диапазона за измерване на напрежението.

Преимущества на електростатичните прибори

• Първото и най-важното преимущество е, че можем да измерваме както AC, така и DC напрежение, и причината е очевидна - отклоняващият момент е пряко пропорционален на квадрата на напрежението.

• Потреблението на енергия в тези видове прибори е доста ниско, тъй като токът, извличан от тях, е много малък.

• Можем да измерваме високи стойности на напрежението.

Недостатъци на електростатичните прибори

• Те са доста скъпи в сравнение с други прибори и също така са с голям размер.

• Скалата не е еднородна.

• Различните оперативни сили, включени, са малки по величина.

Разширяване на диапазона

Диапазонът за измерване може да бъде разширен чрез използване на резистивни делители на потенциала или кондензаторни множители.