Que son os instrumentos de tipo electrostático

Que son os instrumentos de tipo electrostático?

Definición de instrumento electrostático

Un instrumento electrostático está definido como un dispositivo que utiliza campos eléctricos estáticos para medir voltaje, normalmente voltajes altos.

Principio de funcionamento

Como su nombre indica, los instrumentos electrostáticos utilizan el campo eléctrico estático para producir el par de desvío. Se utilizan típicamente para medir voltajes altos, pero también pueden medir voltajes más bajos y potencia en algunos casos. Hay dos formas en las que la fuerza electrostática puede actuar.

Tipos de construcción

En un montaje, una placa está fija mientras que la otra es libre de moverse. Las placas están cargadas de forma opuesta, creando una fuerza atractiva que mueve la placa móvil hacia la placa fija hasta que se almacena la máxima energía electrostática.

En otro montaje, la fuerza puede ser atractiva, repulsiva o ambas, debido al movimiento rotatorio de la placa.

Equación del par

Consideremos dos placas: la Placa A está cargada positivamente y la Placa B está cargada negativamente. La Placa A está fija y la Placa B es libre de moverse. Existe una fuerza, F, entre las placas en equilibrio cuando la fuerza electrostática es igual a la fuerza del muelle. La energía electrostática almacenada en las placas en este punto es:

Ahora supongamos que aumentamos el voltaje aplicado en una cantidad dV, debido a esto la placa B se mueve hacia la placa A una distancia dx. El trabajo realizado contra la fuerza del muelle debido al desplazamiento de la placa B es F.dx. El voltaje aplicado está relacionado con la corriente como

A partir de este valor de la corriente eléctrica, la energía de entrada puede calcularse como

A partir de esto podemos calcular el cambio en la energía almacenada, que resulta ser

Despreciando los términos de orden superior que aparecen en la expresión. Ahora, aplicando el principio de conservación de la energía, tenemos que la energía de entrada al sistema = aumento en la energía almacenada del sistema + trabajo mecánico realizado por el sistema. A partir de esto, podemos escribir,

A partir de la ecuación anterior, la fuerza puede calcularse como

Ahora derivemos la fuerza y la ecuación del par para los instrumentos electrostáticos rotativos. El diagrama se muestra a continuación,

Para encontrar la expresión del par de desvío en los instrumentos electrostáticos rotativos, reemplacemos F en la ecuación (1) con Td y dx con dA. La ecuación modificada para el par de desvío es:

En estado estacionario, el par de control es Tc = K × A. El desvío A puede escribirse como:

A partir de esta expresión concluimos que el desvío del puntero es directamente proporcional al cuadrado del voltaje a medir, por lo tanto, la escala será no uniforme. Ahora discutamos sobre el electrometro de cuadrante. 

Este instrumento se utiliza generalmente para medir voltajes que van desde 100V hasta 20 kilovoltios. Nuevamente, el par de desvío obtenido en el electrometro de cuadrante es directamente proporcional al cuadrado del voltaje aplicado; una ventaja de esto es que este instrumento puede usarse para medir tanto voltajes CA como CC. 

Una ventaja de utilizar instrumentos de tipo electrostático como voltímetros es que podemos extender el rango de voltaje a medir. Ahora hay dos formas de extender el rango de este instrumento. Los discutiremos uno por uno. 

(a) Utilizando divisores de tensión de resistencia: A continuación se muestra el diagrama de circuito de este tipo de configuración.

El voltaje que queremos medir se aplica a través de la resistencia total r y el condensador electrostático está conectado a través de la parte de la resistencia total marcada como r. Ahora, supongamos que el voltaje aplicado es DC, entonces debemos hacer la suposición de que el condensador conectado tiene una resistencia de fuga infinita. 

En este caso, el factor de multiplicación se da por la relación de la resistencia eléctrica r/R. La operación AC en este circuito también puede analizarse fácilmente, nuevamente, en el caso de la operación AC, el factor de multiplicación es igual a r/R.

(b) Utilizando la técnica de multiplicador de capacitancia: Podemos aumentar el rango de voltaje a medir colocando una serie de capacitores como se muestra en el circuito dado.

Derivemos la expresión para el factor de multiplicación en el Diagrama de Circuito 1. Sea C1 la capacitancia del voltímetro y C2 la capacitancia del capacitor en serie. La combinación en serie de estos capacitores equivale a la capacitancia total del circuito.

La impedancia del voltímetro es Z1 = 1/jωC1, y la impedancia total es:

El factor de multiplicación se define como la relación de Z/Z1, que es 1 + C2 / C1. De esta manera, podemos aumentar el rango de medición de voltaje.

Vantaxes dos instrumentos de tipo electrostático

• La primera y más importante ventaja es que podemos medir tanto voltajes CA como CC, y la razón es muy obvia: el par de desvío es directamente proporcional al cuadrado del voltaje.

• El consumo de potencia es bastante bajo en este tipo de instrumentos, ya que la corriente que consumen es bastante baja.

• Podemos medir valores altos de voltaje.

Desvantaxes dos instrumentos de tipo electrostático

• Son bastante costosos en comparación con otros instrumentos y también tienen un tamaño grande.

• La escala no es uniforme.

• Las diversas fuerzas de funcionamiento implicadas son pequeñas en magnitud.

Extensión do rango

El rango de medición puede ampliarse utilizando divisores de tensión de resistencia o multiplicadores de capacitancia.