מה הם מכשירי סטטיות חשמלית

מה הם מכשירים אלקטרוסטטיים?

הגדרת מכשיר אלקטרוסטטי

מכשיר אלקטרוסטטי מוגדר כמכשיר שמשתמש בשדות חשמליים סטטיים כדי למדודря напряжение, обычно высокое напряжение.

עקרון פעולה

כפי שהשם מרמז, מכשירים אלקטרוסטטיים משתמשים בשדה חשמלי סטטי כדי לייצר מומנט הסחה. הם משמשים בדרך כלל למדידת מתח גבוה אך יכולים גם למדוד מתח נמוך ועוצמה במקרים מסוימים. ישנן שתי דרכים שבהן כוח אלקטרוסטטי יכול לפעול.

סוגי בניה

בפריסת אחת, לוח אחד קבוע בעוד שהשני חופשי להזזה. הלוחות טעונים במטענים מנוגדים, מה שמייצר כוח משיכה שמזיז את הלוח הנייד לעבר הלוח הקבוע עד שמגיעה לאחסון מקסימלי של אנרגיה אלקטרוסטטית.

בפריסת אחרת, הכח יכול להיות משיכה, דחייה או שניהם, בשל תנועת הסיבוב של הלוח.

משוואת המומנט

נניח שיש שני לוחות: לוח A טעון חיובית ולוח B טעון שלילית. לוח A קבוע ולוח B חופשי להזוזה. יש כוח F בין הלוחות במצב שיווי משקל כאשר כוח האלקטרוסטטי שווה לכוח הקפיץ. האנרגיה האלקטרוסטטית הנצורה בין הלוחות היא:

כעת נניח שאנחנו מגבירים את המתח המושקע ב-dV, עקב כך לוח B זז לעבר לוח A מרחק dx. העבודה שנעשתה נגד כוח הקפיץ עקב הזזה של לוח B היא F.dx. המתח המושקע קשור לתока לפי:

מתוך ערך זה של התока ניתן לחשב את האנרגיה הנכנסת באופן הבא:

מכאן ניתן לחשב את השינוי באנרגיה הנצורה והוא יוצא להיות:

על ידי מתיחת איברים מסדר גבוה יותר שמופיעים בביטוי. כעת על ידי יישום עקרון שימור האנרגיה יש לנו אנרגיה שנכנסת למערכת = עלייה באנרגיה הנצורה במערכת + עבודה מכנית שנעשתה על ידי המערכת. מתוך זה אפשר לכתוב:

מתוך המשוואה לעיל ניתן לחשב את הכוח:

כעת נעלה את המשוואה עבור מכשירים אלקטרוסטטיים סיבוביים. הדיאגרמה מוצגת למטה:

כדי למצוא את הביטוי למומנט ההסחה בסרטוטים אלקטרוסטטיים סיבוביים, החליף את F ב-Td ואת dx ב-dA. המשוואה המעודכנת למומנט ההסחה היא:

במצב יציב, המומנט המפקח הוא Tc = K × A. ההסחה A יכולה להיכתב כ:

מתוך הביטוי הזה ניתן להסיק שההסחה של המחץ היא ביחס ישיר לריבוע של המתח שצריך למדוד ולכן הסולם יהיה לא אחיד. בואו נדבר עכשיו על קוואדרנט אלקטרומטר.

מכשיר זה משמש בדרך כלל למדידת מתח בין 100V ל-20 קילו וולט. שוב, המומנט ההסחה המתקבל בקוואדרנט אלקטרומטר הוא ביחס ישיר לריבוע של המתח המושקע; יתרון אחד של זה הוא שמכשיר זה יכול לשמש למדידת מתח DC ו-AC.

יתרון אחד בשימוש במכשירים אלקטרוסטטיים כמתחומטרים הוא שאפשר להרחיב את טווח המתח שצריך למדוד. ישנן שתי דרכים להרחיב את טווח המכשיר. נדון בהם אחד אחרי השני.

(א) באמצעות מחוללי פוטנציאל מבוססי 저ومة: להלן סכימת החשמל של סוג זה של קונפיגורציה.

המתח שאנחנו רוצים למדוד מושקע על פני ההתנגדות הכוללת r וה kondenzátor elektrický je pripojený na časť celkovej rezistence označenú ako r. Teraz predpokladajme, že aplikované napätie je striedavé, potom by sme mali urobiť predpoklad, že kondenzátor, ktorý je pripojený, má nekonečnú únikovú rezistanciu.

במקרה זה גורם הכפל נתון על ידי היחס בין ההתנגדות החשמלית r/R. ניתוח פעולת ה-AC במעגל זה יכול גם להתבצע בקלות שוב במקרה של פעולת AC גורם הכפל שווה ל-r/R.

(ב) באמצעות טכניקת כפילת קבל: ניתן להרחיב את טווח המתח שצריך למדוד על ידי הנחת סדרה של קבלים כפי שמוצג בסכימת החשמל הנתונה.

נשנה את הביטוי עבור גורם הכפל בסכימת החשמל 1. תנו C1 להיות הקיבולת של המתחומטר ו-C2 להיות קיבולת הקבל הסדרתי. הקומבינציה הסדרתית של הקבלים האלה שווה לקיבולת הכוללת של המעגל.

הימפדנס של המתחומטר הוא Z1 = 1/jωC1, והימפדנס הכולל הוא:

גורם הכפל מוגדר כיחס בין Z/Z1, שהוא 1 + C2 / C1. כך אפשר להגדיל את טווח מדידת המתח.

יתרונות של מכשירים אלקטרוסטטיים

• היתרון הראשון והחשוב ביותר הוא שאפשר למדוד מתח DC ומתח AC והסיבה ברורה מאוד מכיוון שמומנט ההסחה הוא ביחס ישיר לריבוע של המתח.

• אפשר למדוד ערכים גבוהים של מתח.

חסרונות של מכשירים אלקטרוסטטיים

• הם יקרים מאוד בהשוואה למכשירים אחרים וגם הם גדולים בגודלם.

• הסולם אינו אחיד.

• הכוחות המופעלים שונים קטנים במגניטודה.

הרחבה של טווח המדידה

טווח המדידה יכול להתרחב באמצעות מחוללי פוטנציאל מבוססי 저ومة או כפילת קבל.