Quels sont les instruments de type électrostatique

Qu'est-ce que les instruments électrostatiques ?

Définition des instruments électrostatiques

Un instrument électrostatique est défini comme un dispositif qui utilise des champs électriques statiques pour mesurer la tension, généralement des tensions élevées.

Principe de fonctionnement

Comme leur nom l'indique, les instruments électrostatiques utilisent un champ électrique statique pour produire un couple de déviation. Ils sont généralement utilisés pour mesurer des tensions élevées mais peuvent également mesurer des tensions plus faibles et de la puissance dans certains cas. Il existe deux façons dont la force électrostatique peut agir.

Types de construction

Dans une configuration, une plaque est fixe tandis que l'autre est libre de se déplacer. Les plaques sont chargées de manière opposée, créant une force attractive qui déplace la plaque mobile vers la plaque fixe jusqu'à ce que l'énergie électrostatique maximale soit stockée.

Dans une autre configuration, la force peut être attractive, répulsive ou les deux, en raison du mouvement rotatif de la plaque.

Équation du couple

Considérons deux plaques : la plaque A est chargée positivement, et la plaque B est chargée négativement. La plaque A est fixe, et la plaque B est libre de se déplacer. Il y a une force, F, entre les plaques à l'équilibre lorsque la force électrostatique est égale à la force du ressort. L'énergie électrostatique stockée dans les plaques à ce point est :

Supposons maintenant que nous augmentions la tension appliquée d'une quantité dV, en conséquence, la plaque B se déplace vers la plaque A d'une distance dx. Le travail effectué contre la force du ressort en raison du déplacement de la plaque B est F.dx. La tension appliquée est liée au courant par

À partir de cette valeur de courant électrique, l'énergie d'entrée peut être calculée comme suit

À partir de cela, nous pouvons calculer la variation de l'énergie stockée, qui s'avère être

En négligeant les termes d'ordre supérieur qui apparaissent dans l'expression. En appliquant maintenant le principe de conservation de l'énergie, nous avons l'énergie d'entrée dans le système = augmentation de l'énergie stockée dans le système + travail mécanique effectué par le système. À partir de cela, nous pouvons écrire,

À partir de l'équation ci-dessus, la force peut être calculée comme suit

Maintenant, dérivons l'équation de la force et du couple pour les instruments électrostatiques rotatifs. Le schéma est montré ci-dessous,

Pour trouver l'expression du couple de déviation dans les instruments électrostatiques rotatifs, remplaçons F par Td et dx par dA dans l'équation (1). L'équation modifiée pour le couple de déviation est :

À l'état stable, le couple de contrôle est Tc = K × A. La déviation A peut être écrite comme suit :

À partir de cette expression, nous concluons que la déviation du pointeur est directement proportionnelle au carré de la tension à mesurer, donc l'échelle sera non uniforme. Discutons maintenant de l'électromètre quadrant. 

Cet instrument est généralement utilisé pour mesurer des tensions allant de 100 V à 20 kilovolts. De nouveau, le couple de déviation obtenu dans l'électromètre quadrant est directement proportionnel au carré de la tension appliquée ; un avantage de cela est que cet instrument peut être utilisé pour mesurer à la fois les tensions alternatives et continues. 

Un avantage de l'utilisation des instruments électrostatiques comme voltmètres est que nous pouvons étendre la plage de tension à mesurer. Il existe deux façons d'étendre la plage de cet instrument. Nous les discuterons l'une après l'autre. 

(a) En utilisant des diviseurs de potentiel résistifs : Ci-dessous est le schéma de ce type de configuration.

La tension que nous voulons mesurer est appliquée sur la résistance totale r et le condensateur électrostatique est connecté sur la portion de la résistance totale marquée r. Supposons maintenant que la tension appliquée est continue, alors nous devrions faire l'hypothèse que le condensateur connecté a une résistance de fuite infinie. 

Dans ce cas, le facteur de multiplication est donné par le rapport de la résistance électrique r/R. L'opération en courant alternatif sur ce circuit peut également être analysée facilement, et dans le cas de l'opération en courant alternatif, le facteur de multiplication est égal à r/R.

(b) En utilisant la technique de multiplicateur de condensateur : Nous pouvons augmenter la plage de tension à mesurer en plaçant une série de condensateurs comme indiqué dans le circuit donné.

Dérivons l'expression du facteur de multiplication dans le schéma de circuit 1. Soit C1 la capacité du voltmètre et C2 la capacité du condensateur en série. La combinaison en série de ces condensateurs est égale à la capacité totale du circuit.

L'impédance du voltmètre est Z1 = 1/jωC1, et l'impédance totale est :

Le facteur de multiplication est défini comme le rapport de Z/Z1, qui est 1 + C2 / C1. De cette manière, nous pouvons augmenter la plage de mesure de la tension.

Avantages des instruments électrostatiques

• Le premier et le plus important avantage est que nous pouvons mesurer à la fois les tensions alternatives et continues, et la raison est évidente : le couple de déviation est directement proportionnel au carré de la tension.

• La consommation d'énergie est assez faible dans ces types d'instruments car le courant qu'ils absorbent est très faible.

• Nous pouvons mesurer des valeurs élevées de tension.

Inconvénients des instruments électrostatiques

• Ils sont assez coûteux par rapport à d'autres instruments et ont également une taille importante.

• L'échelle n'est pas uniforme.

• Les différentes forces opérationnelles impliquées sont de faible magnitude.

Extension de la plage de mesure

La plage de mesure peut être étendue en utilisant des diviseurs de potentiel résistifs ou des multiplicateurs de condensateurs.