Elektrostatik Tip Enstrümanlar Nedir?

Elektrostatik Tip Cihazlar Nedir?

Elektrostatik Cihaz Tanımı

Elektrostatik cihaz, genellikle yüksek gerilimleri ölçmek için statik elektrik alanlarını kullanan bir aygıt olarak tanımlanır.

Çalışma Prensibi

İsminden de anlaşılacağı gibi, elektrostatik cihazlar defleme torku oluşturmak için statik elektrik alanını kullanır. Genellikle yüksek gerilimleri ölçmek için kullanılırlar, ancak bazı durumlarda düşük gerilim ve güçleri de ölçebilirler. Elektrostatik kuvvetin etki yapabileceği iki yol vardır.

Yapı Türleri

Bir kurulumda, bir plaka sabitken diğer plaka hareket edebilir. Plakalar zıt yüklerle yüklendirilerek, hareket edebilen plakanın sabit plakaya doğru çekici bir kuvvet tarafından hareket etmesine neden olur ve maksimum elektrostatik enerji depolanana kadar devam eder.

Diğer bir kurulumda, plakanın dönme hareketi sonucunda kuvvet çekicilik, iticilik veya her ikisi olabilir.

Tork Denklemi

İki plaka düşünün: Plaka A pozitif yüklü, Plaka B negatif yüklüdür. Plaka A sabit, Plaka B ise hareket edebilir. Denge halinde, elektrostatik kuvvet yay kuvvetine eşit olduğunda plakalar arasında bir F kuvveti vardır. Bu noktada plakalarda depolanan elektrostatik enerji:

Şimdi, uygulanan gerilimi dV miktarıyla arttırdığımızı varsayalım. Bu nedenle, Plaka B, Plaka A'ya dx mesafesiyle yaklaşır. Plaka B'nin yer değiştirmesine karşı yapılan iş F.dx'tir. Uygulanan gerilim akım ile ilişkilidir:

Bu elektrik akımı değeriyle girdi enerjisi hesaplanabilir:

Bu sayede depolanan enerjinin değişimi hesaplanabilir ve bu değer şu şekilde çıkar:

Daha yüksek dereceli terimleri ihmal ederek. Şimdi, enerji korunum prensibini uygulayarak sisteme girdi enerjisi = sistemin depoladığı enerjinin artışı + sistemin yaptığı mekanik iş. Bu denklemi kullanarak,

Yukarıdaki denklemden kuvvet hesaplanabilir:

Şimdi, rotatif elektrostatik tip cihazlar için kuvvet ve tork denklemini türetelim. Şema aşağıda gösterilmiştir,

Rotatif elektrostatik cihazlarda defleme torku ifadesini bulmak için denklem (1)’de F’yi Td ile, dx’i dA ile değiştirin. Değiştirilmiş defleme torku denklemi şöyledir:

Stabil durumda, kontrol torku Tc = K × A. Defleme A şu şekilde yazılabilir:

Bu ifadeden, göstergenin deflemesinin ölçülmesi gereken gerilimin karesine orantılı olduğunu, dolayısıyla ölçeğin düzensiz olacağını çıkarabiliriz. Şimdi Quadrant elektrometresi hakkında konuşalım. 

Bu cihaz genellikle 100V ile 20 kilovolt arasındaki gerilimleri ölçmek için kullanılır. Yine, Quadrant elektrometrede elde edilen defleme torku, uygulanan gerilimin karesine orantılıdır; bu, cihazın hem AC hem de DC gerilimlerini ölçebileceğini sağlar. 

Elektrostatik tip cihazların voltmetre olarak kullanılmasının bir avantajı, ölçülecek gerilim aralığını genişletebilmenizdir. Bu cihazın aralığını genişletmek için iki yolu var. Bunları sırayla tartışacağız. 

(a) Direnç potansiyel bölenler kullanarak: Aşağıda bu tür bir yapılandırma için devre diyagramı verilmiştir.

Ölçmek istediğimiz gerilim toplam direnç r'ye uygulanırken, elektrostatik kondansatör toplam dirençin belirlenen kısmı olan r'ye bağlanır. Şimdi, uygulanan gerilimin DC olduğu varsayarsak, bağlı kondansatörün sonsuz sızıntı direncine sahip olduğunu kabul edelim. 

Bu durumda çarpan, elektrik direnci r/R oranına eşittir. Bu devrenin AC işlemi de kolayca analiz edilebilir ve AC işlemde çarpan yine r/R'dir.

(b) Kondansatör çarpan tekniği kullanarak: Verilen devrede gösterildiği gibi bir dizi kondansatör yerleştirerek ölçüm aralığını artırabiliriz.

Circuit Diagram 1'deki çarpan ifadesini türetelim. C1, voltmetrenin kapasitesi, C2 ise seri kondansatörün kapasitesi olsun. Bu kondansatörlerin serili kombinasyonu, devrenin toplam kapasitesine eşittir.

Voltmetrenin impedansı Z1 = 1/jωC1, toplam impedans ise:

Çarpan, Z/Z1 oranı olarak tanımlanır, bu 1 + C2 / C1'e eşittir. Bu şekilde, gerilim ölçüm aralığını artırabiliriz.

Elektrostatik Tip Cihazların Avantajları

• İlk ve en önemli avantaj, defleme torkunun gerilimin karesine orantılı olması nedeniyle hem AC hem de DC gerilimlerini ölçebilir olmandır.

• Bu tür cihazlardaki güç tüketimi oldukça düşüktür çünkü bu cihazlar tarafından çekilen akım oldukça düşüktür.

• Yüksek gerilim değerlerini ölçebiliriz.

Elektrostatik Tip Cihazların Dezavantajları

• Bu cihazlar diğer cihazlara göre oldukça pahalı ve ayrıca büyük boyutludurlar.

• Ölçek düzensizdir.

• Farklı faaliyet kuvvetleri küçük büyüklükte olmaktadır.

Aralık Genişletme

Ölçüm aralığı direnç potansiyel bölenleri veya kondansatör çarpanları kullanılarak genişletilebilir.