مبدأ بناء الأجهزة الكهروستاتيكية معادلة العزم

مبدأ عمل الأجهزة الكهروستاتيكية

كما يشير الاسم، فإن أجهزة النوع الكهروستاتيكي تستخدم المجال الكهربائي الثابت لإنتاج عزم الانحراف. هذه الأنواع من الأجهزة تستخدم عادة لقياس الجهد العالي، ولكن في بعض الحالات يمكن استخدامها لقياس الجهود والطاقات المنخفضة للدارة المعينة. هناك طريقتان ممكنتان يمكن أن تعمل بهما القوة الكهروستاتيكية. الشرطان الممكنان هما كالتالي،

بناء أجهزة النوع الكهروستاتيكي

1. عندما يكون أحد اللوحات ثابتاً واللوحة الأخرى حرة الحركة، يتم شحن اللوحات بشحنة معاكسة لتكون بينهما قوة جذب. بسبب هذه القوة الجاذبة ستحتفل اللوحة المتحركة نحو اللوحة الثابتة حتى تصل إلى الحد الأقصى من الطاقة الكهروستاتيكية المخزنة.

2. في الترتيب الآخر قد تكون هناك قوة جذب أو دفع أو كلاهما، بسبب دوران اللوحة.

معادلة القوة والعزم لأجهزة النوع الكهروستاتيكي

لنقوم الآن باشتقاق معادلة القوة للأجهزة الكهروستاتيكية الخطية. لنفترض لوحتين كما هو موضح في الرسم البياني أدناه.

اللوحة A مشحونة موجباً واللوحة B مشحونة سالباً. كما ذكر أعلاه وفقاً للحالة الممكنة (أ) لدينا حركة خطية بين اللوحات. اللوحة A ثابتة واللوحة B حرة الحركة. لنفترض وجود قوة F ما بين اللوحتين عند التوازن عندما تصبح القوة الكهروستاتيكية مساوية لقوة الينابيع. عند هذه النقطة، الطاقة الكهروستاتيكية المخزنة في اللوحات هي

الآن فلنفترض أننا زدنا الجهد المطبق بمقدار dV، نتيجة لذلك تحركت اللوحة B نحو اللوحة A بمقدار dx. العمل الذي تم ضد قوة الينابيع بسبب نقل اللوحة B هو F.dx. الجهد المطبق مرتبط ب التيار كما هو موضح في

من هذا القيمة لل تيار كهربائي يمكن حساب الطاقة المدخلة ك

من هذا يمكننا حساب التغير في الطاقة المخزنة ويأتي ذلك ليكون

بالإغفال عن المصطلحات ذات الدرجة العالية التي تظهر في التعبير. الآن بتطبيق مبدأ حفظ الطاقة لدينا الطاقة المدخلة للنظام = زيادة في الطاقة المخزنة في النظام + العمل الميكانيكي المنجز بواسطة النظام. من هذا يمكننا كتابة،

من المعادلة أعلاه يمكن حساب القوة ك

الآن لنقم باشتقاق معادلة القوة والعزم للأجهزة الكهروستاتيكية الدورانية. مخطط الشكل موضح أدناه،

لتحديد التعبير عن عزم الانحراف في حالة الأجهزة الكهروستاتيكية الدورانية، فقط استبدل في المعادلة (1) F بـ Td و dx بدA. الآن بإعادة كتابة المعادلة المعدلة لدينا عزم الانحراف يساوي

الآن في حالة الاستقرار لدينا عزم التحكم المعطى بالتعبير Tc = K × A. يمكن كتابة الانحراف A ك

من هذا التعبير نستنتج أن انحراف المؤشر يتناسب طردياً مع مربع الجهد المراد قياسه وبالتالي سيكون المقياس غير منتظم. دعونا الآن نناقش عن جهاز الكواترنت الكهربائي. هذا الجهاز يستخدم عادة لقياس الجهد من 100 فولت إلى 20 كيلوفولت. مرة أخرى عزم الانحراف المحصل عليه في جهاز الكواترنت الكهربائي يتناسب طردياً مع مربع الجهد المطبق؛ ميزة واحدة لهذا هو أن هذا الجهاز يمكن استخدامه لقياس الجهود المتذبذبة والمباشرة. ميزة واحدة لاستخدام الأجهزة الكهروستاتيكية ك فولتمترات هي أنه يمكننا توسيع نطاق الجهد المراد قياسه. هناك طريقتان لتوسيع نطاق هذا الجهاز. سنناقشهم واحداً تلو الآخر.

(أ) باستخدام المقاومات المقسّمة للجهد: المخطط التالي يوضح هذا النوع من التكوين.

الجهد الذي نريد قياسه يتم تطبيقه عبر المقاومة الكلية r والكاباسيتور الكهروستاتيكي متصل عبر الجزء من المقاومة الكلية والذي يُشار إليه بـ r. الآن فلنفترض أن الجهد المطبق هو DC، ثم يجب علينا افتراض أن الكاباسيتور المتصل له مقاومة تسرب لا نهائية. في هذه الحالة يكون عامل الضرب هو نسبة مقاومة كهربائية r/R. يمكن تحليل التشغيل AC على هذا الدائرة بسهولة مرة أخرى في حالة التشغيل AC يكون عامل الضرب مساوياً r/R.
(ب) باستخدام تقنية مضاعفة الكاباسيتور: يمكننا زيادة نطاق الجهد المراد قياسه عن طريق وضع سلسلة من الكاباسيتورات كما هو موضح في الدائرة المعطاة.

لنقم باشتقاق التعبير لعامل الضرب للمخطط 1. لنحدد السعة الفولتمتر C1 والكاباسيتور المتسلسل C2 كما هو موضح في المخطط المعطى. الآن التركيب المتسلسل لهذه الكاباسيتورات يكون مساوياً ل

والذي هو السعة الكلية للدائرة. الآن الممانعة الفولتمتر هي Z1 = 1/jωC1 وبالتالي ستكون الممانعة الكلية مساوية ل

الآن يمكن تعريف عامل الضرب بأنه نسبة Z/Z1 والتي تساوي 1 + C2 / C1. وبالمثل يمكن حساب عامل الضرب. وبالتالي بهذه الطريقة يمكننا زيادة نطاق الجهد المراد قياسه.

مزايا الأجهزة الكهروستاتيكية

الآن دعنا ننظر في بعض مزايا الأجهزة الكهروستاتيكية.

1. الميزة الأولى والأكثر أهمية هي أنه يمكننا قياس الجهود المباشرة والمتذبذبة والسبب واضح جداً وهو أن عزم الانحراف يتناسب طردياً مع مربع الجهد.

2. استهلاك الطاقة منخفض جداً في هذه الأنواع من الأجهزة حيث أن التيار المستهلك من قبل هذه الأجهزة منخفض جداً.

3. يمكننا قياس قيم عالية من الجهد.

عيوب الأجهزة الكهروستاتيكية

بدلاً من المزايا المختلفة، تتمتع الأجهزة الكهروستاتيكية ببعض العيوب وهذه مذكورة أدناه.

1. هذه الأجهزة باهظة الثمن مقارنة بالأجهزة الأخرى ولها حجم كبير.

2. المقياس ليس منتظم.

3. القوى المختلفة التي تعمل صغيرة في المقدار.

بيان: احترم الأصلي، المقالات الجيدة تستحق المشاركة، إذا كان هناك انتهاك يرجى التواصل للحذف.