Co to są przyrządy elektrostatyczne?

Czym są przyrządy elektrostatyczne?

Definicja przyrządu elektrostatycznego

Przyrząd elektrostatyczny to urządzenie, które wykorzystuje statyczne pola elektryczne do pomiaru napięcia, zazwyczaj wysokich napięć.

Zasada działania

Jak sama nazwa wskazuje, przyrządy elektrostatyczne wykorzystują statyczne pole elektryczne do tworzenia momentu odchylenia. Zwykle są używane do pomiaru wysokich napięć, ale mogą również mierzyć niższe napięcia i moc w niektórych przypadkach. Istnieją dwa sposoby, w jaki może działać siła elektrostatyczna.

Typy konstrukcji

W jednym ustawieniu jedna płyta jest stała, podczas gdy druga jest swobodna do ruchu. Płyty mają przeciwne ładunki, co tworzy siłę przyciągania, która przesuwa płytkę ruchomą w kierunku płytki stałej, aż do osiągnięcia maksymalnej energii elektrostatycznej.

W innym ustawieniu siła może być przyciągająca, odpychająca lub obie, ze względu na ruch obrotowy płytki.

Równanie momentu

Rozważmy dwie płytki: Płyta A jest dodatnio naładowana, a Płyta B ujemnie naładowana. Płyta A jest stała, a Płyta B jest swobodna do ruchu. Jest siła F między płytami w równowadze, gdy siła elektrostatyczna równa się sile sprężyny. Energia elektrostatyczna przechowywana w płytach w tym momencie wynosi:

Teraz załóżmy, że zwiększymy napięcie zastosowane o wartość dV, przez co płyta B przesunie się w kierunku płyty A o odległość dx. Praca wykonana przeciwko sile sprężyny w wyniku przesunięcia płyty B wynosi F.dx. Zastosowane napięcie jest związane z prądem jako

Z tej wartości prądu elektrycznego można obliczyć wprowadzoną energię jako

Z tego możemy obliczyć zmianę przechowywanej energii, która wynosi

Pomijając wyższe rzędy, które pojawiają się w wyrażeniu. Teraz stosując zasadę zachowania energii, mamy wprowadzoną energię do systemu = zwiększenie przechowywanej energii systemu + praca mechaniczna wykonana przez system. Z tego możemy zapisać,

Z powyższego równania można obliczyć siłę jako

Teraz wyprowadźmy równanie siły i momentu dla rotarych przyrządów elektrostatycznych. Diagram przedstawiony jest poniżej,

Aby znaleźć wyrażenie na moment odchylenia w rotarych przyrządach elektrostatycznych, zastąp F w równaniu (1) Td, a dx zastąp dA. Modyfikowane równanie na moment odchylenia to:

W stanie ustalonym, moment kontrolujący to Tc = K × A. Odchylenie A można zapisać jako:

Z tego wyrażenia wnioskujemy, że odchylenie wskazówki jest proporcjonalne do kwadratu napięcia, które mierzymy, więc skala będzie niejednorodna. Omówmy teraz Elektrometr kwadrantowy. 

Ten przyrząd jest zwykle używany do pomiaru napięcia w zakresie od 100V do 20 kilowolt. Ponownie, moment odchylenia uzyskany w Elektrometrze kwadrantowym jest proporcjonalny do kwadratu zastosowanego napięcia; jedną z zalet jest to, że ten przyrząd może być używany do pomiaru zarówno napięć przemiennych, jak i stałych. 

Jedną z zalet używania przyrządów elektrostatycznych jako woltomierzy jest możliwość rozszerzenia zakresu mierzonych napięć. Są dwa sposoby rozszerzenia zakresu tego przyrządu. Omówimy je jeden po drugim. 

(a) Używając podziału potencjału opornikowego: Poniżej przedstawiono schemat tego typu konfiguracji.

Napięcie, które chcemy zmierzyć, jest podawane na całkowitym oporze r, a kondensator elektrostatyczny jest podłączony do części całkowitego oporu, który jest oznaczony jako r. Załóżmy, że zastosowane napięcie jest DC, wtedy powinniśmy założyć, że podłączony kondensator ma nieskończony opór przeciekowy. 

W tym przypadku współczynnik mnożący jest dany przez stosunek oporu elektrycznego r/R. Działań na tym obwodzie przy napięciu AC można również łatwo przeanalizować, w przypadku pracy na napięciu AC współczynnik mnożący wynosi r/R.

(b) Używając techniki mnożenia kondensatorami: Możemy zwiększyć zakres mierzonych napięć, umieszczając szereg kondensatorów, jak pokazano na danym obwodzie.

Wyprowadźmy wyrażenie na współczynnik mnożący w Schemacie Obwodu 1. Niech C1 będzie pojemnością woltomierza, a C2 pojemnością szeregowego kondensatora. Szeregowy układ tych kondensatorów równy jest całkowitej pojemności obwodu.

Impedancja woltomierza to Z1 = 1/jωC1, a całkowita impedancja to:

Współczynnik mnożący jest zdefiniowany jako stosunek Z/Z1, który wynosi 1 + C2 / C1. W ten sposób możemy zwiększyć zakres pomiaru napięcia.

Zalety przyrządów elektrostatycznych

• Pierwszą i najważniejszą zaletą jest to, że możemy mierzyć zarówno napięcia AC, jak i DC, a powód jest oczywisty - moment odchylenia jest proporcjonalny do kwadratu napięcia.

• Zużycie mocy w tego typu przyrządach jest bardzo niskie, ponieważ prąd pobierany przez te przyrządy jest niewielki.

• Możemy mierzyć wysokie wartości napięcia.

Wady przyrządów elektrostatycznych

• Są one dość kosztowne w porównaniu do innych przyrządów i mają duże wymiary.

• Skala nie jest jednolita.

• Różne siły działające są małe pod względem wielkości.

Rozszerzenie zakresu

Zakres pomiaru można rozszerzyć, używając podziału potencjału opornikowego lub mnożników kondensatorowych.