Apa itu Alat Jenis Elektrostatik?

Apa itu Alat Tipe Elektrostatik?

Definisi Alat Elektrostatik

Alat elektrostatik didefinisikan sebagai perangkat yang menggunakan medan listrik statis untuk mengukur tegangan, biasanya tegangan tinggi.

Prinsip Kerja

Seperti namanya, alat elektrostatik menggunakan medan listrik statis untuk menghasilkan torsi defleksi. Mereka biasanya digunakan untuk mengukur tegangan tinggi tetapi juga dapat mengukur tegangan rendah dan daya dalam beberapa kasus. Ada dua cara gaya elektrostatik dapat bekerja.

Jenis Konstruksi

Dalam satu pengaturan, satu pelat tetap sementara yang lainnya bebas bergerak. Pelat-pelat tersebut bermuatan sebaliknya, menciptakan gaya tarik yang memindahkan pelat yang bisa bergerak ke arah pelat yang tetap hingga energi elektrostatik maksimum disimpan.

Dalam pengaturan lain, gaya tersebut bisa menarik, tolak, atau keduanya, karena gerakan rotasi pelat.

Persamaan Torsi

Pertimbangkan dua pelat: Pelat A bermuatan positif, dan Pelat B bermuatan negatif. Pelat A tetap, dan Pelat B bebas bergerak. Ada gaya F antara kedua pelat pada keseimbangan ketika gaya elektrostatik sama dengan gaya pegas. Energi elektrostatik yang disimpan di pelat-pelat pada titik ini adalah:

Sekarang misalkan kita meningkatkan tegangan yang diterapkan sebesar dV, akibatnya pelat B bergerak mendekati pelat A sejauh dx. Kerja yang dilakukan melawan gaya pegas karena perpindahan pelat B adalah F.dx. Tegangan yang diterapkan terkait dengan arus sebagai

Dari nilai arus listrik ini, energi input dapat dihitung sebagai

Dari ini kita dapat menghitung perubahan energi yang tersimpan dan hasilnya adalah

Dengan mengabaikan suku-suku orde lebih tinggi yang muncul dalam ekspresi. Sekarang menerapkan prinsip konservasi energi, kita memiliki energi input ke sistem = peningkatan energi yang tersimpan di sistem + kerja mekanis yang dilakukan oleh sistem. Dari ini kita dapat menulis,

Dari persamaan di atas, gaya dapat dihitung sebagai

Sekarang mari kita turunkan persamaan gaya dan torsi untuk alat tipe elektrostatik rotari. Diagram ditunjukkan di bawah ini,

Untuk menemukan ekspresi torsi defleksi dalam alat elektrostatik rotari, gantilah F dalam persamaan (1) dengan Td dan dx dengan dA. Persamaan yang dimodifikasi untuk torsi defleksi adalah:

Pada keadaan stabil, torsi kontrol adalah Tc = K × A. Defleksi A dapat ditulis sebagai:

Dari ekspresi ini kita menyimpulkan bahwa defleksi penunjuk secara langsung proporsional dengan kuadrat dari tegangan yang akan diukur sehingga skala akan tidak seragam. Mari kita bahas tentang Elektrometer Kuadran. 

Alat ini umumnya digunakan untuk mengukur tegangan mulai dari 100V hingga 20 kilo volt. Lagi-lagi, torsi defleksi yang diperoleh dalam Elektrometer Kuadran secara langsung proporsional dengan kuadrat dari tegangan yang diterapkan; salah satu keuntungan dari ini adalah alat ini dapat digunakan untuk mengukur baik tegangan AC maupun DC. 

Salah satu keuntungan menggunakan alat tipe elektrostatik sebagai voltmeter adalah kita dapat memperluas rentang tegangan yang akan diukur. Ada dua cara untuk memperluas rentang alat ini. Kita akan membahasnya satu per satu. 

(a) Dengan menggunakan pembagi potensial resistansi: Berikut adalah diagram rangkaian dari konfigurasi jenis ini.

Tegangan yang ingin kita ukur diterapkan di seluruh resistansi r dan kapasitor elektrostatik terhubung ke bagian dari total resistansi yang ditandai sebagai r. Misalkan tegangan yang diterapkan adalah DC, maka kita harus membuat asumsi bahwa kapasitor yang terhubung memiliki tahanan bocor tak terhingga. 

Dalam kasus ini, faktor pengali diberikan oleh rasio resistansi listrik r/R. Operasi AC pada rangkaian ini juga dapat dianalisis dengan mudah, dan dalam kasus operasi AC, faktor pengali sama dengan r/R.

(b) Dengan menggunakan teknik pengali kapasitansi: Kita dapat meningkatkan rentang tegangan yang akan diukur dengan menempatkan serangkaian kapasitor seperti yang ditunjukkan dalam rangkaian yang diberikan.

Mari kita turunkan ekspresi untuk faktor pengali dalam Diagram Rangkaian 1. Misalkan C1 adalah kapasitansi voltmeter dan C2 adalah kapasitansi kapasitor seri. Kombinasi seri dari kapasitor-kapasitor ini sama dengan kapasitansi total rangkaian.

Impedansi voltmeter adalah Z1 = 1/jωC1, dan impedansi total adalah:

Faktor pengali didefinisikan sebagai rasio Z/Z1, yaitu 1 + C2 / C1. Dengan cara ini, kita dapat meningkatkan rentang pengukuran tegangan.

Keuntungan Alat Tipe Elektrostatik

• Keuntungan pertama dan paling penting adalah kita dapat mengukur baik tegangan AC maupun DC, dan alasan ini sangat jelas, yaitu torsi defleksi secara langsung proporsional dengan kuadrat dari tegangan.

• Konsumsi daya cukup rendah pada jenis alat ini karena arus yang diambil oleh alat-alat ini cukup rendah.

• Kita dapat mengukur nilai tegangan yang tinggi.

Kerugian Alat Tipe Elektrostatik

• Alat-alat ini cukup mahal dibandingkan dengan alat lainnya dan juga memiliki ukuran yang besar.

• Skala tidak seragam.

• Berbagai gaya operasi yang terlibat memiliki magnitudo yang kecil.

Perluasan Rentang

Rentang pengukuran dapat diperluas menggunakan pembagi potensial resistansi atau pengali kapasitansi.