เครื่องมือชนิดไฟฟ้าสถิตคืออะไร

เครื่องมือสถิตไฟฟ้าคืออะไร?

คำนิยามของเครื่องมือสถิตไฟฟ้า

เครื่องมือสถิตไฟฟ้าถูกกำหนดให้เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สนามไฟฟ้าสถิตเพื่อวัดแรงดันไฟฟ้า โดยส่วนใหญ่ใช้วัดแรงดันไฟฟ้าสูง

หลักการทำงาน

ตามชื่อที่บอก เครื่องมือสถิตไฟฟ้าใช้สนามไฟฟ้าสถิตในการสร้างแรงบิดเบี่ยงเบน ซึ่งโดยทั่วไปใช้วัดแรงดันไฟฟ้าสูง แต่ในบางกรณีก็สามารถวัดแรงดันไฟฟ้าต่ำและกำลังได้ มีสองวิธีที่แรงสถิตไฟฟ้าสามารถทำงานได้

ประเภทการสร้าง

ในหนึ่งการตั้งค่า แผ่นหนึ่งจะคงที่ ในขณะที่อีกแผ่นสามารถเคลื่อนไหวได้ แผ่นเหล่านี้มีประจุตรงข้ามกัน สร้างแรงดึงดูดที่ทำให้แผ่นที่เคลื่อนไหวเข้าหาแผ่นที่คงที่จนกว่าพลังงานสถิตไฟฟ้าสูงสุดจะถูกเก็บไว้

ในอีกการตั้งค่าหนึ่ง แรงสามารถเป็นแรงดึงดูด แรงผลัก หรือทั้งสองอย่าง ขึ้นอยู่กับการหมุนของแผ่น

สมการแรงบิด

พิจารณาแผ่นสองแผ่น: แผ่น A มีประจุบวก และแผ่น B มีประจุลบ แผ่น A คงที่ และแผ่น B สามารถเคลื่อนไหวได้ มีแรง F ระหว่างแผ่นเมื่อแรงสถิตไฟฟ้าเท่ากับแรงของสปริง พลังงานสถิตไฟฟ้าที่เก็บไว้ในแผ่นที่จุดนี้คือ:

ตอนนี้สมมติว่าเราเพิ่มแรงดันที่ใช้งานขึ้น dV ทำให้แผ่น B เคลื่อนที่เข้าหาแผ่น A ระยะทาง dx งานที่ทำต่อต้านแรงของสปริงเนื่องจากการเคลื่อนที่ของแผ่น B คือ F.dx แรงดันที่ใช้งานมีความสัมพันธ์กับกระแสไฟฟ้าเป็น

จากค่ากระแสไฟฟ้านี้พลังงานที่ป้อนเข้าสามารถคำนวณได้เป็น

จากนี้เราสามารถคำนวณการเปลี่ยนแปลงของพลังงานที่เก็บไว้ และจะได้เป็น

โดยละเว้นพจน์อันดับสูงที่ปรากฏในสมการ ตอนนี้ใช้หลักการอนุรักษ์พลังงาน เราจะได้พลังงานที่ป้อนเข้าระบบ = การเพิ่มขึ้นของพลังงานที่เก็บไว้ในระบบ + งานกลที่ระบบทำ จากนี้เราสามารถเขียนได้ว่า

จากสมการดังกล่าวแรงสามารถคำนวณได้ว่า

ตอนนี้ลองหาสมการแรงและแรงบิดสำหรับเครื่องมือสถิตไฟฟ้าแบบหมุน แผนภาพแสดงด้านล่าง

เพื่อหาสมการแรงบิดเบี่ยงเบนในเครื่องมือสถิตไฟฟ้าแบบหมุน แทน F ด้วย Td และ dx ด้วย dA สมการที่แก้ไขใหม่สำหรับแรงบิดเบี่ยงเบนคือ:

ที่ภาวะคงที่ แรงควบคุมคือ Tc = K × A ความเบี่ยงเบน A สามารถเขียนเป็น

จากสมการนี้เราสรุปได้ว่าความเบี่ยงเบนของเข็มวัดมีความสัมพันธ์โดยตรงกับกำลังสองของแรงดันที่วัด ดังนั้นมาตราส่วนจะไม่เป็นเส้นตรง ตอนนี้มาหารือเกี่ยวกับเครื่องวัดควอดแรนต์

เครื่องมือนี้โดยทั่วไปใช้วัดแรงดันตั้งแต่ 100V ถึง 20 กิโลโวลต์ อีกครั้งแรงบิดเบี่ยงเบนที่ได้ในเครื่องวัดควอดแรนต์มีความสัมพันธ์โดยตรงกับกำลังสองของแรงดันที่ใช้งาน ข้อดีอย่างหนึ่งคือเครื่องมือนี้สามารถใช้วัดแรงดัน AC และ DC ได้

ข้อดีของการใช้เครื่องมือสถิตไฟฟ้าเป็นวอลต์มิเตอร์คือเราสามารถขยายช่วงแรงดันที่วัดได้ ตอนนี้มีสองวิธีในการขยายช่วงของเครื่องมือนี้ เราจะหารือทีละวิธี

(a) โดยใช้ตัวแบ่งแรงดันแบบต้านทาน: แผนภาพวงจรของชนิดการกำหนดค่านี้แสดงด้านล่าง

แรงดันที่ต้องการวัดถูกนำไปใช้ที่ต้านทานรวม r และคาปาซิเตอร์สถิตไฟฟ้าเชื่อมต่อกับส่วนหนึ่งของต้านทานรวมที่ระบุว่า r ตอนนี้สมมติว่าแรงดันที่ใช้งานเป็น DC เราควรสมมติว่าคาปาซิเตอร์ที่เชื่อมต่อนี้มีต้านทานรั่วไหลอนันต์

ในกรณีนี้ตัวคูณคืออัตราส่วนของต้านทานไฟฟ้า r/R การทำงานของ AC บนวงจรนี้ก็สามารถวิเคราะห์ได้ง่ายเช่นกัน สำหรับการทำงานของ AC ตัวคูณเท่ากับ r/R

(b) โดยใช้เทคนิคตัวคูณคาปาซิเตอร์: เราสามารถเพิ่มช่วงแรงดันที่วัดได้โดยวางคาปาซิเตอร์เป็นอนุกรมตามที่แสดงในวงจร

ลองหาสมการตัวคูณในแผนภาพวงจร 1 ให้ C1 เป็นความจุของวอลต์มิเตอร์และ C2 เป็นความจุของคาปาซิเตอร์อนุกรม ความจุรวมของคาปาซิเตอร์เหล่านี้เท่ากับความจุรวมของวงจร

ความต้านทานของวอลต์มิเตอร์คือ Z1 = 1/jωC1 และความต้านทานรวมคือ:

ตัวคูณถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของ Z/Z1 ซึ่งคือ 1 + C2 / C1 ด้วยวิธีนี้เราสามารถเพิ่มช่วงแรงดันที่วัดได้

ข้อดีของเครื่องมือสถิตไฟฟ้า

• ข้อดีแรกและสำคัญที่สุดคือเราสามารถวัดแรงดัน AC และ DC ได้ เนื่องจากแรงบิดเบี่ยงเบนมีความสัมพันธ์โดยตรงกับกำลังสองของแรงดัน

• การบริโภคพลังงานค่อนข้างต่ำในเครื่องมือเหล่านี้ เนื่องจากกระแสที่ใช้ค่อนข้างต่ำ

• เราสามารถวัดค่าแรงดันที่สูงได้

ข้อเสียของเครื่องมือสถิตไฟฟ้า

• เครื่องมือเหล่านี้ค่อนข้างแพงเมื่อเทียบกับเครื่องมืออื่น ๆ และมีขนาดใหญ่

• มาตราส่วนไม่เป็นเส้นตรง

• แรงต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องในการทำงานมีขนาดเล็ก

การขยายช่วงวัด

ช่วงวัดสามารถขยายได้โดยใช้ตัวแบ่งแรงดันแบบต้านทานหรือตัวคูณคาปาซิเตอร์