چه چیزی ابزارهای نوع الکترواستاتیک هستند

چه اشیاء‌ای هستند دستگاه‌های الکترواستاتیک؟

تعریف دستگاه الکترواستاتیک

دستگاه الکترواستاتیک به عنوان یک دستگاه تعریف می‌شود که از میدان‌های الکتریکی ثابت برای اندازه‌گیری ولتاژ، معمولاً ولتاژ بالا، استفاده می‌کند.

اصول کار

همان‌طور که نام آنها نشان می‌دهد، دستگاه‌های الکترواستاتیک از میدان الکتریکی ثابت برای ایجاد گشتاور انحراف استفاده می‌کنند. معمولاً برای اندازه‌گیری ولتاژ بالا استفاده می‌شوند اما در برخی موارد می‌توانند ولتاژ پایین‌تر و توان را نیز اندازه‌گیری کنند. دو روش وجود دارد که نیروی الکترواستاتیک می‌تواند عمل کند.

نوع‌های ساختاری

در یک تنظیم، صفحه‌ای ثابت و صفحه‌ای دیگر آزاد برای حرکت است. صفحات با بارهای متضاد شارژ شده‌اند که نیروی جذبی ایجاد می‌کنند که صفحه قابل حرکت را به سمت صفحه ثابت حرکت می‌دهد تا حداکثر انرژی الکترواستاتیک ذخیره شود.

در تنظیم دیگر، نیرو می‌تواند جذبی، دفعی یا هر دو باشد، به دلیل حرکت دورانی صفحه.

معادله گشتاور

دو صفحه را در نظر بگیرید: صفحه A با بار مثبت و صفحه B با بار منفی. صفحه A ثابت است و صفحه B آزاد برای حرکت است. وقتی نیروی الکترواستاتیکی برابر با نیروی فنری است، نیروی F بین صفحات در تعادل است. انرژی الکترواستاتیکی ذخیره شده در صفحات در این نقطه عبارت است از:

حال فرض کنید که ولتاژ اعمال شده با مقدار dV افزایش یابد، به دلیل این امر صفحه B به مسافت dx به سمت صفحه A حرکت می‌کند. کار انجام شده علیه نیروی فنری به دلیل جابجایی صفحه B برابر F.dx است. ولتاژ اعمال شده با جریان به صورت زیر مرتبط است

از این مقدار جریان الکتریکی می‌توان انرژی ورودی را محاسبه کرد به صورت

از این می‌توان تغییر در انرژی ذخیره شده را محاسبه کرد و این مقدار به دست می‌آید

با نادیده گرفتن جملات مرتبه بالاتر که در عبارت ظاهر می‌شوند. حال با اعمال اصل بقای انرژی، انرژی ورودی به سیستم = افزایش انرژی ذخیره شده در سیستم + کار مکانیکی انجام شده توسط سیستم. از این رو می‌توان نوشت،

از معادله فوق می‌توان نیرو را محاسبه کرد

حال بیایید معادلات نیرو و گشتاور را برای دستگاه‌های الکترواستاتیک دورانی بدست آوریم. نمودار زیر نشان داده شده است،

برای یافتن عبارت گشتاور انحراف در دستگاه‌های الکترواستاتیک دورانی، F را در معادله (1) با Td و dx را با dA جایگزین کنید. معادله اصلاح شده برای گشتاور انحراف عبارت است از:

در حالت پایدار، گشتاور کنترل Tc = K × A است. انحراف A می‌تواند به صورت زیر نوشته شود:

از این عبارت می‌توان نتیجه گرفت که انحراف نشانگر مستقیماً متناسب با مربع ولتاژ مورد اندازه‌گیری است بنابراین مقیاس غیر یکنواخت خواهد بود. حال بیایید در مورد الکترومتر چهار ربع صحبت کنیم. 

این دستگاه معمولاً برای اندازه‌گیری ولتاژ در محدوده ۱۰۰ ولت تا ۲۰ کیلوولت استفاده می‌شود. مجدداً گشتاور انحراف به دست آمده در الکترومتر چهار ربع مستقیماً متناسب با مربع ولتاژ اعمال شده است؛ یک مزیت این است که این دستگاه می‌تواند ولتاژ AC و DC را اندازه‌گیری کند. 

یک مزیت استفاده از دستگاه‌های نوع الکترواستاتیک به عنوان ولتمتر این است که می‌توان محدوده ولتاژ مورد اندازه‌گیری را گسترش داد. حال دو روش برای گسترش محدوده این دستگاه وجود دارد. آنها را یک به یک بحث می‌کنیم. 

(الف) با استفاده از تقسیم‌کننده‌های پتانسیل مقاومتی: شماتیک مدار این نوع تنظیم در زیر نشان داده شده است.

ولتاژی که می‌خواهیم اندازه‌گیری کنیم بر روی مقاومت کل r اعمال می‌شود و خازن الکترواستاتیکی به بخشی از مقاومت کل که با r مشخص شده است متصل می‌شود. حال فرض کنید که ولتاژ اعمال شده DC است، در این صورت باید فرض کنیم که خازن متصل شده دارای مقاومت تسربی نامتناهی است. 

در این مورد ضریب گسترش برابر با نسبت مقاومت الکتریکی r/R است. عملکرد مدار در حالت AC نیز می‌تواند به راحتی تحلیل شود و در حالت AC ضریب گسترش برابر با r/R است.

(ب) با استفاده از تکنیک ضرب‌کننده خازنی: می‌توان محدوده ولتاژ مورد اندازه‌گیری را با قرار دادن سری خازن‌ها به صورت نشان داده شده در مدار داده شده گسترش داد.

بیایید عبارت ضریب گسترش را در شماتیک مدار ۱ بدست آوریم. C1 را خازن ولتمتر و C2 را خازن سری در نظر بگیرید. ترکیب سری این خازن‌ها برابر با خازن کل مدار است.

امپدانس ولتمتر Z1 = 1/jωC1 است و امپدانس کل عبارت است از:

ضریب گسترش به عنوان نسبت Z/Z1 تعریف می‌شود که 1 + C2 / C1 است. به این ترتیب می‌توان محدوده اندازه‌گیری ولتاژ را افزایش داد.

مزایای دستگاه‌های نوع الکترواستاتیک

• اولین و مهم‌ترین مزیت این است که می‌توان ولتاژ AC و DC را اندازه‌گیری کرد و دلیل آن واضح است که گشتاور انحراف مستقیماً متناسب با مربع ولتاژ است.

• مصرف انرژی در این نوع دستگاه‌ها بسیار کم است زیرا جریان مصرفی توسط این دستگاه‌ها بسیار کم است.

• می‌توان مقدار بالایی از ولتاژ را اندازه‌گیری کرد.

معایب دستگاه‌های نوع الکترواستاتیک

• این دستگاه‌ها نسبت به دیگر دستگاه‌ها بسیار گران‌قیمت هستند و همچنین حجم بزرگی دارند.

• مقیاس یکنواخت نیست.

• نیروهای مختلف عملیاتی شامل مقادیر کوچک هستند.

گسترش محدوده

محدوده اندازه‌گیری را می‌توان با استفاده از تقسیم‌کننده‌های پتانسیل مقاومتی یا ضرب‌کننده‌های خازنی گسترش داد.