Ano ang mga Instrumentong Elektrostatiko?

Ano ang mga Instrumentong Elektrostatiko?

Definisyong ng Instrumentong Elektrostatiko

Ang instrumentong elektrostatiko ay isang aparato na gumagamit ng statikong elektrikal na field upang sukatin ang voltage, karaniwang mataas na voltage.

Pangunahing Patakaran

Tulad ng ipinahihiwatig ng pangalan, ang mga instrumentong elektrostatiko ay gumagamit ng statikong elektrikal na field upang lumikha ng deflecting torque. Karaniwang ginagamit ito upang sukatin ang mataas na voltage ngunit maaari rin itong sukatin ang mas mababang voltage at lakas sa ilang kaso. May dalawang paraan kung paano makakapag-impluwensya ang puwersa ng elektrostatiko.

Mga Uri ng Konstruksyon

Sa isang setup, ang isang plato ay naka-fix habang ang isa ay malayang makakalipat. Ang mga plato ay may kabaligtarang kargado, naglilikha ng pampapalapit na puwersa na lumilipat ng malayang plato patungo sa naka-fix na plato hanggang sa maximum na enerhiya ng elektrostatiko ang naka-imbak.

Sa isa pang setup, ang puwersa maaaring pampapalapit, pampalayo, o pareho, dahil sa rotary motion ng plato.

Ekwasyon ng Torque

Isaalang-alang ang dalawang plato: Ang Plato A ay positibong kargado, at ang Plato B ay negatibong kargado. Ang Plato A ay naka-fix, at ang Plato B ay malayang makakalipat. May puwersa, F, sa pagitan ng mga plato sa balanse kapag ang puwersa ng elektrostatiko ay katumbas ng puwersa ng spring. Ang enerhiya ng elektrostatiko na naka-imbak sa mga plato sa puntong ito ay:

Ngayon, suposahan natin na tataas ang applied voltage ng halaga ng dV, dahil dito, ang Plato B ay lalapit sa Plato A ng distansyang dx. Ang gawain laban sa puwersa ng spring dahil sa paglipat ng Plato B ay F.dx. Ang applied voltage ay may kaugnayan sa current bilang

Mula sa halaga ng electric current, ang input energy maaaring makalkula bilang

Mula rito, maaari nating makalkula ang pagbabago sa naka-imbak na enerhiya at ang resulta ay

Sa pamamagitan ng pag-iignore ng mas mataas na order terms na lumilitaw sa ekspresyon. Ngayon, sa pamamagitan ng pagsusunod sa prinsipyong conservation of energy, ang input energy sa sistema = pagtaas ng naka-imbak na enerhiya ng sistema + mekanikal na gawain na ginawa ng sistema. Mula rito, maaari nating isulat,

Mula sa itaas na ekwasyon, ang puwersa maaaring makalkula bilang

Ngayon, hagdan natin ang force at torque equation para sa mga rotary electrostatic type instruments. Ang diagram ay ipinapakita sa ibaba,

Upang makahanap ng ekspresyon para sa deflecting torque sa mga rotary electrostatic instruments, palitan ang F sa ekwasyon (1) ng Td at ang dx ng dA. Ang binago na ekwasyon para sa deflecting torque ay:

Sa steady state, ang controlling torque ay Tc = K × A. Ang deflection A maaaring isulat bilang:

Mula sa ekspresyong ito, maaari nating konklumihin na ang paglipat ng pointer ay direktang proporsyonal sa square ng voltage na susukatin, kaya ang scale ay hindi uniform. Ngayon, ipag-usapan natin ang Quadrant electrometer. 

Ang instrumentong ito ay karaniwang ginagamit sa pagsukat ng voltage na nasa range mula 100V hanggang 20 kilo volts. Muli, ang deflecting torque na nakuha sa Quadrant electrometer ay direktang proporsyonal sa square ng applied voltage; ang isang benepisyo nito ay maaari itong gamitin upang sukatin ang parehong AC at DC voltages. 

Ang isang benepisyo ng paggamit ng mga instrumentong elektrostatiko bilang voltmeters ay maaari nating i-extend ang range ng voltage na susukatin. Ngayon, may dalawang paraan upang i-extend ang range ng instrumentong ito. Ipag-usapan natin sila isa-isa. 

(a) Sa pamamagitan ng paggamit ng resistance potential dividers: Ipinapakita sa ibaba ang circuit diagram ng ganitong uri ng configuration.

Ang voltage na nais nating sukatin ay inilapat sa kabuuang resistance r at ang elektrostatikong capacitor ay konektado sa bahagi ng kabuuang resistance na naka-marka bilang r. Ngayon, suposahan natin na ang applied voltage ay DC, kailangan nating gawin ang isang assumption na ang capacitor na konektado ay may walang hanggang leakage resistance. 

Sa kasong ito, ang multiplying factor ay ibinibigay ng ratio ng electrical resistance r/R. Ang ac operation sa circuit na ito maaari ring madaling analisin, muli, sa kasong ac operation, ang multiplying factor ay equal sa r/R.

(b) Sa pamamagitan ng paggamit ng capacitor multiplier technique: Maaari nating taasan ang range ng voltage na susukatin sa pamamagitan ng paglalagay ng serye ng capacitors tulad ng ipinapakita sa ibinigay na circuit.

Hagdan natin ang ekspresyon para sa multiplying factor sa Circuit Diagram 1. Hayaang C1 ang capacitance ng voltmeter at C2 ang capacitance ng series capacitor. Ang serye ng combination ng mga capacitor na ito ay katumbas ng kabuuang capacitance ng circuit.

Ang impedance ng voltmeter ay Z1 = 1/jωC1, at ang kabuuang impedance ay:

Ang multiplying factor ay inilalarawan bilang ang ratio ng Z/Z1, na 1 + C2 / C1. Sa paraang ito, maaari nating taasan ang range ng pagsukat ng voltage.

Mga Benepisyo ng mga Instrumentong Elektrostatiko

• Ang unang at pinakamahalagang benepisyo ay maaari nating sukatin ang parehong AC at DC voltage at ang dahilan ay napakalubhasa ang paglipat ng torque na direktang proporsyonal sa square ng voltage.

• Ang power consumption ay napakababa sa mga uri ng instrumentong ito dahil ang current na inilalabas ng mga instrumentong ito ay napakababa.

• Maaari nating sukatin ang mataas na halaga ng voltage.

Mga Di-benepisyo ng mga Instrumentong Elektrostatiko

• Mas mahal ito kumpara sa ibang instrumento at maliit din ang sukat.

• Ang scale ay hindi uniform.

• Ang iba't ibang operating forces na kasangkot ay maliit sa magnitude.

Range Extension

Maaaring i-extend ang measurement range gamit ang resistance potential dividers o capacitor multipliers.