Mitä ovat sähköstatiiikkalaitteet?

Mitä ovat elektrostaattiset mittlaite?

Elektrostaattisen laitteen määritelmä

Elektrostaattinen laite on laite, joka käyttää staattisia sähkökenttiä korkeiden jännitteiden mitattavaksi.

Toimintaperiaate

Kuten nimi osoittaa, elektrostaattiset laitteet käyttävät staattista sähkökenttää poikkeavan momentin luomiseen. Niitä käytetään yleensä korkeiden jännitteiden mittaamiseen, mutta niillä voidaan myös mittailla pienempiä jännitteitä ja tiettyjen tapauksissa tehoa. Elektrostaattinen voima voi toimia kahdella tavalla.

Rakennustyypit

Yhdessä asetuksessa yksi levyn on kiinteä, kun taas toinen on vapaana liikkua. Levyltä on vastakkaismerkkisiä varauksia, mikä luo vetovoiman, joka siirtää liikutettavan levyn kiinteän levyn suuntaan, kunnes siihen on tallennettu maksimimäärä elektrostaattista energiaa.

Toisessa asetuksessa voima voi olla vetävä, repevä tai molemmat, levyn pyörimisen vuoksi.

Momenttiyhtälö

Oletetaan kaksi levyn: Levyn A on positiivisesti varautunut, ja Levyn B on negatiivisesti varautunut. Levyn A on kiinteä, ja Levyn B on vapaana liikkua. Levyltä on voima F tasapainossa, kun elektrostaattinen voima on yhtä suuri kuin kehän voima. Tällä hetkellä levyltä tallennettu elektrostaattinen energia on:

Nyt oletetaan, että lisäämme sovitun jännitteen määrän dV, jonka vuoksi Levyn B liikkuu Levyn A suuntaan etäisyydellä dx. Työ, joka tehdään kehän voiman vastustuksesta Levyn B siirrossa, on F.dx. Sovitun jännitteen suhde virtaan on

Tämän sähkövirtan arvon avulla syöttötiedon energia voidaan laskea seuraavasti

Tästä voimme laskea tallennetun energian muutoksen, joka on

Jättämällä huomiotta korkeamman asteen termit ilmaisussa. Nyt soveltamalla energian säilymisperiaatetta saamme, että järjestelmään syötetty energia = järjestelmän tallennetun energian kasvu + järjestelmän tekemä mekaaninen työ. Tästä voimme kirjoittaa,

Edellisestä yhtälöstä voima voidaan laskea seuraavasti

Nyt johdamme voiman ja momentin yhtälön pyörimiselektrostaattisille laitteille. Kaavio näytetään alla,

Pyörimiselektrostaattisten laitteiden poikkeavan momentin ilmaisun löytämiseksi korvataan yhtälössä (1) F Td:llä ja dx:llä dA. Muokattu poikkeavan momentin yhtälö on:

Vakiovaiheessa ohjaava momentti on Tc = K × A. Poikkeama A voidaan kirjoittaa seuraavasti:

Tästä ilmaisusta voimme päätellä, että osoitinpoikkeama on suoraan verrannollinen mitattavan jännitteen neliöön, joten mittakaava ei ole tasainen. Jatketaan nyt Quadrant-electrometrin käsittelyä. 

Tätä laitetta käytetään yleensä 100V:n ja 20 kilovoltin välisen jännitteen mittaamiseen. Jälleen Quadrant-electrometrissä saatu poikkeava momentti on suoraan verrannollinen sovitun jännitteen neliöön; yksi etu tässä on, että tätä laitetta voidaan käyttää sekä vaihtojännitteen että yhtenäisjännitteen mittaamiseen. 

Yksi elektrostaattisten laitteiden käytön etuna jännittemittareina on, että voimme laajentaa mitattavan jännitteen rajoja. On kaksi tapaa laajentaa tätä laitteen rajoja. Käsittelemme niitä yksi kerrallaan. 

(a) Vastuspotentiajakoajan avulla: Alla on tämän konfiguraation piirikaavio.

Mittattava jännite sovitetaan kokonaisvastuksen r yli, ja elektrostaattinen kondensaattori yhdistetään osan kokonaisvastuksen r yli. Oletetaan, että sovitettu jännite on yhtenäisjännite, silloin meidän pitää tehdä oletus, että yhdistetty kondensaattori on äärettömän valju.

Tässä tapauksessa monistekerroin on annettu sähkövastusten r/R suhteena. Tämän piirin vaihtovirtatoimintoa voidaan myös analysoida helposti, ja vaihtovirran tapauksessa monistekerroin on yhtä suuri kuin r/R.

(b) Kondensaattorimonisteen avulla: Voimme lisätä mitattavan jännitteen rajoja asettamalla sarjan kondensaattoreita kuten alla olevassa piirikaaviossa näytetään.

Johdamme nyt monistekertoimen lausekkeen Piirikaavio 1:ssä. Olkoon C1 jännittemittarin kapasitanssi ja C2 sarjakapasitatorin kapasitanssi. Näiden kondensaattorien sarjasarja on yhtä suuri kuin piirin kokonaiskapasitanssi.

Jännittemittarin impedanssi on Z1 = 1/jωC1, ja kokonaisimpedanssi on:

Monistekerroin määritellään Z/Z1 suhteena, joka on 1 + C2 / C1. Tällä tavoin voimme lisätä jännitteen mittausrajat.

Elektrostaattisten laitteiden etuja

• Ensimmäinen ja tärkein etu on, että voimme mitata sekä vaihto- että yhtenäisjännitettä, ja syy on ilmeinen: poikkeava momentti on suoraan verrannollinen jännitteen neliöön.

• Näissä laitteissa energiankulutus on hyvin alhainen, sillä ne kuluttavat hyvin vähän sähköä.

• Voimme mitata korkeita jännitetasoja.

Elektrostaattisten laitteiden haittoja

• Nämä ovat huomattavasti kalliimpia kuin muut laitteet, ja ne ovat myös suurempi kokoisina.

• Mittakaava ei ole tasainen.

• Eri toimintavoimat ovat pieniä suuruudeltaan.

Mittausalueen laajentaminen

Mittausrajat voidaan laajentaa vastuspotentiajakoajan tai kondensaattorimonisteen avulla.