Що таке електростатичні прилади?

Що таке електростатичні прилади?

Визначення електростатичного приладу

Електростатичний прилад визначається як пристрій, що використовує статичне електричне поле для вимірювання напруги, зазвичай високих напруг.

Принцип роботи

Як видно з назви, електростатичні прилади використовують статичне електричне поле для створення відхиляючого моменту. Вони типово використовуються для вимірювання високих напруг, але можуть також вимірювати нижчі напруги та потужність в деяких випадках. Є два способи, якими може діяти електростатична сила.

Типи конструкцій

У одному варіанті одна пластина фіксована, а інша може переміщатися. Пластини заряджені протилежно, що створює притягувальну силу, яка переміщує рухливу пластину до фіксованої пластина до тих пір, поки не буде збережено максимальну електростатичну енергію.

У іншому варіанті сила може бути притягувальною, відштовхувальною або обидвох, через обертальний рух пластина.

Рівняння моменту

Розглянемо дві пластина: пластина А заряджена додатно, а пластина Б заряджена від'ємно. Пластина А фіксована, а пластина Б може переміщатися. Між пластинами є сила F, коли електростатична сила дорівнює пружній силі. Електростатична енергія, збережена в пластинах в цей момент, становить:

Тепер припустимо, що ми збільшуємо застосовану напругу на величину dV, через це пластина Б переміщується до пластина А на відстань dx. Робота, виконана проти пружної сили через переміщення пластина Б, становить F.dx. Застосована напруга пов'язана зі струмом як

З цього значення електричного струму можна обчислити вхідну енергію як

З цього ми можемо обчислити зміну збереженої енергії, і це видається

Не враховуючи вищі порядки, що з'являються у виразі. Тепер, застосовуючи принцип збереження енергії, ми маємо вхідну енергію в систему = збільшення збереженої енергії системи + механічна робота, виконана системою. З цього ми можемо записати,

З вище наведеного рівняння можна обчислити силу як

Тепер давайте отримаємо рівняння сили та моменту для обертальних електростатичних приладів. Діаграма показана нижче,

Для знаходження виразу для відхиляючого моменту в обертальних електростатичних приладах замініть F на Td, а dx на dA. Модифіковане рівняння для відхиляючого моменту є:

На стаціонарному стані керуючий момент Tc = K × A. Відхилення A можна записати як:

З цього виразу ми висновуємо, що відхилення стрілки прямо пропорційне квадрату напруги, що вимірюється, тому шкала буде нерівномірною. Тепер давайте обговоримо Квадрант-електрометр. 

Цей прилад загалом використовується для вимірювання напруги від 100В до 20 кіловольт. Знову ж таки, відхиляючий момент, отриманий в Квадрант-електрометр, прямо пропорційний квадрату застосованої напруги; одним з переваг цього є те, що цей прилад може використовуватися для вимірювання як Сполученого, так і Послідовного струму. 

Одним з переваг використання електростатичних приладів як вольтметрів є можливість розширення діапазону вимірювання напруги. Існують два способи розширення діапазону цього приладу. Ми обговоримо їх по черзі. 

(а) За допомогою резистивних потенціометрів: Нижче наведено схему цього типу конфігурації.

Напруга, яку ми хочемо виміряти, прикладається до загального опору r, а електростатичний конденсатор підключений до частини загального опору, який позначений як r. Тепер припустимо, що застосована напруга є Послідовною, тоді ми повинні зробити припущення, що підключений конденсатор має нескінченний опір утечки. 

У цьому випадку множник дається відношенням електричного опору r/R. Операція зі Сполученим струмом на цій схемі також може бути легко проаналізована, знову ж таки, у випадку Сполученого струму множник дорівнює r/R.

(б) За допомогою техніки множника конденсаторів: Ми можемо збільшити діапазон вимірювання напруги, розташувавши серію конденсаторів, як показано на даній схемі.

Давайте отримаємо вираз для множника в Схемі 1. Нехай C1 — ємність вольтметра, а C2 — ємність серійного конденсатора. Серійна комбінація цих конденсаторів дорівнює загальній ємності схеми.

Імпеданс вольтметра Z1 = 1/jωC1, а загальний імпеданс є:

Множник визначається як відношення Z/Z1, яке дорівнює 1 + C2 / C1. Таким чином, ми можемо збільшити діапазон вимірювання напруги.

Переваги електростатичних приладів

• Перша і найважливіша перевага полягає в тому, що ми можемо вимірювати як Сполучену, так і Послідовну напругу, і причина цього очевидна: відхиляючий момент прямо пропорційний квадрату напруги.

• Потужність споживання в таких приладах досить низька, оскільки струм, який вони відтягує, досить низький.

• Ми можемо вимірювати великі значення напруги.

Недоліки електростатичних приладів

• Ці прилади досить дорогі порівняно з іншими приладами, а також мають велику розмірність.

• Шкала нерівномірна.

• Різні оперативні сили, що включаються, невеликі за величиною.

Розширення діапазону

Діапазон вимірювання можна розширити за допомогою резистивних потенціометрів або множників конденсаторів.