Ano ang mga Instrumentong Elektrostatiko?

Ano ang mga Instrumentong Elektrostatiko?

Paglalarawan ng Instrumentong Elektrostatiko

Ang isang instrumentong elektrostatiko ay inilalarawan bilang isang aparato na gumagamit ng statikong elektrikal na field upang sukatin ang voltage, karaniwang mataas na voltage.

Pamamaraan ng Paggana

Tulad ng ipinapahiwatig ng pangalan, ang mga instrumentong elektrostatiko ay gumagamit ng statikong elektrikal na field upang lumikha ng deflecting torque. Karaniwang ginagamit ito upang sukatin ang mataas na voltage ngunit maaari rin itong sukatin ang mas mababang voltage at power sa ilang kaso. May dalawang paraan kung paano maaaring gumana ang puwersa ng elektrostatiko.

Mga Uri ng Konstruksyon

Sa isang setup, ang isang plato ay nakapirmi habang ang isa ay malayang makakilos. Ang mga plato ay may kontrahang charge, naglilikom ng isang attractive force na gumagalaw ang malayang plato patungo sa pirmihang plato hanggang sa makamit ang maximum na electrostatic energy.

Sa ibang setup, ang puwersa maaaring attractive, repulsive, o pareho, dahil sa rotary motion ng plato.

Equation ng Torque

Isaalang-alang ang dalawang plato: Ang Plato A ay positibong charged, at ang Plato B ay negatibong charged. Ang Plato A ay nakapirmi, at ang Plato B ay malayang makakilos. May puwersa, F, sa pagitan ng mga plato sa equilibrium kung saan ang puwersa ng elektrostatiko ay katumbas ng puwersa ng spring. Ang electrostatic energy na naka-store sa mga plato sa punto na ito ay:

Ngayon, suposin natin na tataasan natin ang applied voltage ng halaga ng dV, dahil dito ang Plato B ay galaw-galaw patungo sa Plato A ng distansya ng dx. Ang trabaho na ginawa laban sa puwersa ng spring dahil sa paggalaw ng Plato B ay F.dx. Ang applied voltage ay may kaugnayan sa current bilang

Mula sa halaga ng electric current, ang input energy ay maaaring makalkula bilang

Mula dito, maaari nating makalkula ang pagbabago sa naka-store na energy at ito ay lumalabas na

Sa pamamagitan ng pag-neglect ng mas mataas na order terms na lumilitaw sa expression. Ngayon, sa pamamagitan ng pagsusunod sa principle ng conservation ng energy, meron tayong input energy sa sistema = increase sa naka-store na energy ng sistema + mechanical work na gawin ng sistema. Mula dito, maaari nating isulat,

Mula sa itaas na equation, ang puwersa ay maaaring makalkula bilang

Ngayon, hayaan nating deribuhin ang puwersa at equation ng torque para sa mga rotary electrostatic type instruments. Diagram ay ipinapakita sa ibaba,

Upang makuha ang expression para sa deflecting torque sa mga rotary electrostatic instruments, palitan ang F sa equation (1) ng Td at ang dx ng dA. Ang modified equation para sa deflecting torque ay:

Sa steady state, ang controlling torque ay Tc = K × A. Ang deflection A ay maaaring isulat bilang:

Mula sa expression na ito, maaari nating masabi na ang deflection ng pointer ay direkta proporsyonal sa square ng voltage na susukatin, kaya ang scale ay hindi uniform. Hayaan nating pag-usapan ang Quadrant electrometer. 

Ang instrumentong ito ay karaniwang ginagamit sa pag-sukat ng voltage na nasa range mula 100V hanggang 20 kilo volts. Muli, ang deflecting torque na nakuha sa Quadrant electrometer ay direkta proporsyonal sa square ng applied voltage; isang advantage nito ay ang instrumento na ito ay maaaring gamitin upang sukatin ang parehong AC at DC voltages. 

Isang advantage ng paggamit ng mga instrumentong elektrostatiko bilang voltmeters ay maaari nating i-extend ang range ng voltage na susukatin. May dalawang paraan upang i-extend ang range ng instrumentong ito. Ipag-uusapan natin sila isa-isa. 

(a) Sa pamamagitan ng paggamit ng resistance potential dividers: Ipinapakita sa ibaba ang circuit diagram ng ganitong uri ng configuration.

Ang voltage na nais nating sukatin ay inilalapat sa buong resistance r at ang electrostatic capacitor ay konektado sa bahagi ng buong resistance na tinanda bilang r. Ngayon, suposin natin na ang applied voltage ay DC, kailangan nating magkaroon ng assumption na ang capacitor na konektado ay may infinite leakage resistance. 

Sa kasong ito, ang multiplying factor ay ibinibigay ng ratio ng electrical resistance r/R. Ang ac operation sa circuit na ito ay maaaring ma-analyze nang madali, at muli, sa kasong ac operation, ang multiplying factor ay equal sa r/R.

(b) Sa pamamagitan ng paggamit ng capacitor multiplier technique: Maaari nating i-increase ang range ng voltage na susukatin sa pamamagitan ng paglalagay ng serye ng capacitors tulad ng ipinapakita sa given circuit.

Hayaan nating deribuhin ang expression para sa multiplying factor sa Circuit Diagram 1. Hayaan nating C1 ang capacitance ng voltmeter at C2 ang capacitance ng series capacitor. Ang series combination ng mga capacitor na ito ay katumbas ng total capacitance ng circuit.

Ang impedance ng voltmeter ay Z1 = 1/jωC1, at ang total impedance ay:

Ang multiplying factor ay inilalarawan bilang ang ratio ng Z/Z1, na 1 + C2 / C1. Sa paraang ito, maaari nating i-increase ang range ng voltage measurement.

Mga Advantages ng mga Instrumentong Elektrostatiko

• Ang unang at pinakamahalagang advantage ay maaari nating sukatin ang parehong AC at DC voltage at ang dahilan nito ay napakalubhasa ang obvious na ang deflecting torque ay direkta proporsyonal sa square ng voltage.

• Ang power consumption ay napakababa sa mga uri ng instrumentong ito dahil ang current na dinudraw nito ay napakababa.

• Maaari nating sukatin ang mataas na halaga ng voltage.

Mga Disadvantages ng mga Instrumentong Elektrostatiko

• Mas mahal ito kumpara sa ibang instrumento at maaaring malaki ang laki.

• Ang scale ay hindi uniform.

• Ang iba't ibang operating forces na kasangkot ay maliit ang magnitude.

Range Extension

Maaaring i-extend ang measurement range sa pamamagitan ng resistance potential dividers o capacitor multipliers.