Các Thiết Bị Điện Tĩnh là gì?

Đồng hồ tĩnh điện là gì?

Định nghĩa Đồng hồ tĩnh điện

Đồng hồ tĩnh điện được định nghĩa là thiết bị sử dụng trường điện tĩnh để đo điện áp, thường là điện áp cao.

Những nguyên lý hoạt động

Như tên gọi, đồng hồ tĩnh điện sử dụng trường điện tĩnh để tạo ra lực xoắn. Chúng thường được sử dụng để đo điện áp cao nhưng cũng có thể đo điện áp thấp và công suất trong một số trường hợp. Có hai cách mà lực tĩnh điện có thể tác động.

Các loại cấu trúc

Trong một thiết lập, một tấm được cố định trong khi tấm khác có thể di chuyển. Các tấm mang điện trái dấu, tạo ra lực hút khiến tấm có thể di chuyển tiến về phía tấm cố định cho đến khi năng lượng tĩnh điện lớn nhất được lưu trữ.

Trong một thiết lập khác, lực có thể là hấp dẫn, đẩy hoặc cả hai, do chuyển động quay của tấm.

Phương trình Lực xoắn

Cân nhắc hai tấm: Tấm A mang điện dương, và Tấm B mang điện âm. Tấm A được cố định, và Tấm B có thể di chuyển. Có một lực F giữa các tấm ở trạng thái cân bằng khi lực tĩnh điện bằng lực lò xo. Năng lượng tĩnh điện được lưu trữ trong các tấm tại điểm này là:

Bây giờ giả sử chúng ta tăng điện áp áp dụng lên dV, do đó tấm B di chuyển về phía tấm A một khoảng dx. Công làm việc chống lại lực lò xo do sự dịch chuyển của tấm B là F.dx. Điện áp áp dụng liên quan đến dòng điện như sau

Từ giá trị dòng điện này, năng lượng đầu vào có thể được tính toán như sau

Từ đây, chúng ta có thể tính toán sự thay đổi trong năng lượng được lưu trữ và kết quả là

Bỏ qua các hạng mục bậc cao hơn xuất hiện trong biểu thức. Bây giờ áp dụng nguyên lý bảo toàn năng lượng, chúng ta có năng lượng đầu vào vào hệ thống = sự tăng năng lượng được lưu trữ của hệ thống + công cơ học được thực hiện bởi hệ thống. Từ đây, chúng ta có thể viết,

Từ phương trình trên, lực có thể được tính toán như sau

Bây giờ hãy suy luận lực và phương trình lực xoắn cho các thiết bị tĩnh điện kiểu quay. Sơ đồ được hiển thị dưới đây,

Để tìm biểu thức cho lực xoắn trong các thiết bị tĩnh điện kiểu quay, thay F trong phương trình (1) bằng Td và dx bằng dA. Phương trình đã sửa đổi cho lực xoắn là:

Ở trạng thái ổn định, lực điều khiển là Tc = K × A. Sự lệch A có thể được viết là:

Từ biểu thức này, chúng ta kết luận rằng sự lệch của con trỏ tỷ lệ thuận với bình phương của điện áp cần đo, do đó vạch đo sẽ không đều. Bây giờ hãy thảo luận về Quyền điện kế.

Thiết bị này thường được sử dụng để đo điện áp từ 100V đến 20 kilovolt. Lại nữa, lực xoắn được tạo ra trong Quyền điện kế tỷ lệ thuận với bình phương của điện áp áp dụng; một lợi ích của điều này là thiết bị có thể được sử dụng để đo cả điện áp AC và DC.

Một lợi ích khi sử dụng các thiết bị tĩnh điện làm đồng hồ đo điện áp là chúng ta có thể mở rộng phạm vi điện áp cần đo. Hiện có hai cách để mở rộng phạm vi của thiết bị. Chúng ta sẽ thảo luận từng cách một.

(a) Sử dụng bộ chia điện trở: Dưới đây là sơ đồ mạch của loại cấu hình này.

Điện áp mà chúng ta muốn đo được áp dụng trên tổng điện trở r và tụ điện tĩnh được kết nối trên phần của tổng điện trở được đánh dấu là r. Giả sử điện áp áp dụng là DC, thì chúng ta nên giả định rằng tụ điện được kết nối có điện trở rò vô hạn.

Trong trường hợp này, hệ số nhân được cho bởi tỷ lệ điện trở r/R. Việc phân tích hoạt động AC trên mạch này cũng có thể được thực hiện dễ dàng, và trong trường hợp hoạt động AC, hệ số nhân bằng r/R.

(b) Sử dụng kỹ thuật nhân tụ: Chúng ta có thể tăng phạm vi điện áp cần đo bằng cách đặt một chuỗi tụ điện như được hiển thị trong sơ đồ mạch.

Hãy suy luận biểu thức cho hệ số nhân trong Sơ đồ mạch 1. Gọi C1 là điện dung của đồng hồ đo điện áp và C2 là điện dung của tụ điện nối tiếp. Tổ hợp nối tiếp của các tụ điện này bằng tổng điện dung của mạch.

Độ cản của đồng hồ đo điện áp là Z1 = 1/jωC1, và tổng độ cản là:

Hệ số nhân được định nghĩa là tỷ lệ Z/Z1, tức là 1 + C2 / C1. Bằng cách này, chúng ta có thể tăng phạm vi đo điện áp.

Lợi ích của Thiết bị tĩnh điện

• Lợi ích đầu tiên và quan trọng nhất là chúng ta có thể đo cả điện áp AC và DC, và lý do rất rõ ràng là lực xoắn tỷ lệ thuận với bình phương của điện áp.

• Tiêu thụ điện năng khá thấp trong các loại thiết bị này vì dòng điện tiêu thụ bởi các thiết bị này rất thấp.

• Chúng ta có thể đo giá trị điện áp cao.

Nhược điểm của Thiết bị tĩnh điện

• Chúng khá đắt so với các thiết bị khác và cũng có kích thước lớn.

• Vạch đo không đều.

• Các lực hoạt động liên quan có độ lớn nhỏ.

Mở rộng Phạm vi Đo

Phạm vi đo có thể được mở rộng bằng cách sử dụng bộ chia điện trở hoặc bộ nhân tụ.