Što su elektrostatski tipovi uređaja?

Što su elektrostatički tipovi instrumenta?

Definicija elektrostatskog instrumenta

Elektrostatski instrument definira se kao uređaj koji koristi statičko električno polje za mjerenje napona, obično visokih napona.

Princip rada

Kao što naziv sugerira, elektrostatski instrumenti koriste statičko električno polje kako bi stvorili odbojnu vrtljinu. Obično se koriste za mjerenje visokih napona, ali mogu mjeriti i niže napone i snagu u nekim slučajevima. Postoje dva načina na koje može djelovati elektrostatska sila.

Tipi konstrukcije

U jednoj postavci, jedna ploča je fiksna, dok druga može se slobodno pomaknuti. Ploče su suprotito nabijene, stvarajući privlačnu silu koja pomiče pomičnu ploču prema fiksnoj ploči dok se ne sprema maksimalna elektrostatska energija.

U drugoj postavci, sila može biti privlačna, odbijajuća ili obje, zbog rotacijskog gibanja ploče.

Jednadžba vrtljine

Razmotrimo dvije ploče: Ploča A je pozitivno nabijena, a Ploča B je negativno nabijena. Ploča A je fiksna, a Ploča B se može slobodno pomaknuti. Postoji sila F između ploča u ravnoteži kada je elektrostatska sila jednaka silu opruge. Elektrostatska energija spremljena u pločama u tom trenutku je:

Pretpostavimo da povećamo primijenjeni napon za iznos dV, zbog čega se ploča B pomakne prema ploči A udaljenošću dx. Rad protiv sile opruge zbog pomaka ploče B iznosi F.dx. Primijenjeni napon je povezan sa strujom kao

Iz ove vrijednosti električne struje ulaznu energiju možemo izračunati kao

Iz toga možemo izračunati promjenu u spremljenoj energiji, a ta se iznosi

Zanemarujući više redne elemente koji se pojavljuju u izrazu. Sada primjenjujući princip održavanja energije imamo ulaznu energiju u sustav = povećanje spremljene energije sustava + mehanički rad napravljen od strane sustava. Iz toga možemo napisati,

Iz gornje jednadžbe silu možemo izračunati kao

Sada izvedimo jednadžbu sile i vrtljine za rotacijske elektrostatske tipove instrumenta. Slika je prikazana ispod,

Da bismo pronašli izraz za odbojnu vrtljinu u rotacijskim elektrostatskim instrumentima, zamijenite F u jednadžbi (1) s Td i dx s dA. Izmijenjena jednadžba za odbojnu vrtljinu glasi:

U stanju ravnoteže, kontrolna vrtljina je Tc = K × A. Odmak A može se napisati kao:

Iz ovog izraza zaključujemo da je odmak pokazivača direktno proporcionalan kvadratu napona koji treba mjeriti, stoga će ljestvica biti neravnomjerna. Sada ćemo razgovarati o Kvadrantnom elektrometru. 

Ovaj instrument se obično koristi za mjerenje napona u rasponu od 100V do 20 kilovolata. Ponovo, odbojna vrtljina dobivena u Kvadrantnom elektrometru direktno je proporcionalna kvadratu primijenjenog napona; jedna prednost toga je da se ovaj instrument može koristiti za mjerenje i AC i DC napona. 

Jedna prednost korištenja elektrostatskih tipova instrumenta kao voltmetara jest da možemo proširiti raspon napona koji treba mjeriti. Sada postoje dva načina proširenja raspona ovog instrumenta. Razgovarat ćemo o njima jedan po jedan. 

(a) Koristeći otpornike-potencijalne delitelje: Dano je shematski crtež ove vrste konfiguracije.

Napon koji želimo mjeriti primjenjuje se na ukupni otpor r, a elektrostatski kondenzator spojen je na dio ukupnog otpora koji je označen kao r. Pretpostavimo da je primijenjeni napon DC, tada trebamo pretpostaviti da kondenzator koji je spojen ima beskonačni otpor curenja. 

U ovom slučaju množitelj je dan omjerom električnog otpora r/R. AC operacija na ovoj shemi također se može lako analizirati, ponovno u slučaju AC operacije množitelj jednak je r/R.

(b) Koristeći tehniku množitelja kapacitance: Možemo povećati raspon napona koji treba mjeriti stavljajući niz kondenzatora kao što je prikazano na datoj shemi.

Izvedimo izraz za množitelj u Shematskom crtežu 1. Neka je C1 kapacitivnost voltmetra, a C2 kapacitivnost serijskog kondenzatora. Serijska kombinacija ovih kondenzatora jednaka je ukupnoj kapacitivnosti sheme.

Impedancija voltmetra je Z1 = 1/jωC1, a ukupna impedancija je:

Množitelj definiran je kao omjer Z/Z1, što je 1 + C2 / C1. Na taj način možemo povećati raspon mjerenja napona.

Prednosti elektrostatskih tipova instrumenta

• Prva i najvažnija prednost jest da možemo mjeriti i AC i DC napon, a razlog je očitan, odbojna vrtljina je direktno proporcionalna kvadratu napona.

• Potrošnja energije u ovim tipovima instrumenta je vrlo niska, jer struja koju ti instrumenti povuku je vrlo niska.

• Možemo mjeriti visoke vrijednosti napona.

Nedostaci elektrostatskih tipova instrumenta

• Ti su vrlo skuplji uspoređujući s drugim instrumentima i također su velikog oblika.

• Ljestvica nije uniformna.

• Različite operativne sile uključene su male po magnitudi.

Proširenje raspona

Raspon mjerenja može se proširiti korištenjem otpornika-potencijalnih delitelja ili množitelja kapacitance.