Что такое электростатические приборы?

Что такое электростатические приборы?

Определение электростатического прибора

Электростатический прибор определяется как устройство, использующее статическое электрическое поле для измерения напряжения, обычно высокого напряжения.

Принцип работы

Как следует из названия, электростатические приборы используют статическое электрическое поле для создания отклоняющего момента. Они обычно используются для измерения высоких напряжений, но в некоторых случаях могут измерять и более низкие напряжения, а также мощность. Существует два способа, которыми может действовать электростатическая сила.

Типы конструкций

В одной конфигурации одна пластина фиксирована, а другая свободно перемещается. Пластины заряжены противоположно, создавая притягивающую силу, которая перемещает подвижную пластину к фиксированной до тех пор, пока не будет накоплено максимальное количество электростатической энергии.

В другой конфигурации сила может быть притягивающей, отталкивающей или обоими, благодаря вращательному движению пластины.

Уравнение момента

Рассмотрим две пластины: пластина A положительно заряжена, а пластина B отрицательно заряжена. Пластина A фиксирована, а пластина B свободно перемещается. Между пластинами существует сила F, при которой электростатическая сила равна силе пружины. Электростатическая энергия, накопленная в пластинах в этот момент, составляет:

Теперь предположим, что мы увеличиваем приложенное напряжение на величину dV, в результате чего пластина B перемещается к пластине A на расстояние dx. Работа, выполненная против силы пружины вследствие перемещения пластины B, составляет F.dx. Приложенное напряжение связано с током следующим образом:

Из этого значения электрического тока можно вычислить входную энергию как:

Из этого мы можем вычислить изменение накопленной энергии, которое составляет:

Пренебрегая старшими членами, появляющимися в выражении. Теперь, применяя принцип сохранения энергии, получаем, что входная энергия в систему = увеличение накопленной энергии системы + механическая работа, выполненная системой. Из этого можно записать:

Из уравнения выше можно вычислить силу как:

Теперь давайте выведем уравнения для силы и момента для ротационных электростатических приборов. Диаграмма показана ниже:

Чтобы найти выражение для отклоняющего момента в ротационных электростатических приборах, заменим F на Td и dx на dA. Модифицированное уравнение для отклоняющего момента:

В установившемся состоянии управляющий момент Tc = K × A. Отклонение A можно записать как:

Из этого выражения мы заключаем, что отклонение указателя прямо пропорционально квадрату измеряемого напряжения, поэтому шкала будет нелинейной. Теперь обсудим квадрантный электрометр.

Этот прибор обычно используется для измерения напряжения в диапазоне от 100 В до 20 кВ. Снова, отклоняющий момент, полученный в квадрантном электрометре, прямо пропорционален квадрату приложенного напряжения; одним из преимуществ этого является то, что этот прибор можно использовать для измерения как переменного, так и постоянного напряжения.

Одним из преимуществ использования электростатических приборов в качестве вольтметров является возможность расширения диапазона измеряемого напряжения. Существует два способа расширения диапазона этого прибора. Обсудим их по порядку.

(a) Использование резистивных делителей напряжения: Ниже приведена схема такого типа конфигурации.

Напряжение, которое мы хотим измерить, прикладывается к общему сопротивлению r, а электростатический конденсатор подключен к части общего сопротивления, обозначенной как r. Теперь предположим, что приложенное напряжение является постоянным, тогда мы должны сделать предположение, что подключенный конденсатор имеет бесконечное сопротивление утечки.

В этом случае множитель равен отношению электрического сопротивления r/R. Операция с переменным током на этой схеме также может быть легко проанализирована, и в случае переменного тока множитель равен r/R.

(b) Использование метода умножения конденсатором: Мы можем увеличить диапазон измеряемого напряжения, разместив последовательность конденсаторов, как показано на данной схеме.

Давайте выведем выражение для множителя в Схеме 1. Пусть C1 — это емкость вольтметра, а C2 — емкость последовательного конденсатора. Последовательное соединение этих конденсаторов равно общей емкости цепи.

Импеданс вольтметра Z1 = 1/jωC1, а общий импеданс:

Множитель определяется как отношение Z/Z1, которое равно 1 + C2 / C1. Таким образом, мы можем увеличить диапазон измерения напряжения.

Преимущества электростатических приборов

• Первое и самое важное преимущество заключается в том, что мы можем измерять как переменное, так и постоянное напряжение, и причина этому очевидна: отклоняющий момент прямо пропорционален квадрату напряжения.

• Потребление мощности в таких приборах очень низкое, так как ток, потребляемый этими приборами, довольно мал.

• Мы можем измерять высокие значения напряжения.

Недостатки электростатических приборов

• Эти приборы довольно дорогие по сравнению с другими и имеют большие размеры.

• Шкала нелинейна.

• Различные рабочие силы, задействованные в работе, малы по величине.

Расширение диапазона измерений

Диапазон измерений можно расширить с помощью резистивных делителей напряжения или конденсаторных умножителей.