หลักการก่อสร้างและสมการแรงบิดของเครื่องมือแบบไฟฟ้าสถิต

หลักการทำงานของเครื่องมือแบบสถิตไฟฟ้า

ตามชื่อที่แนะนำ เครื่องมือแบบสถิตไฟฟ้าใช้สนามไฟฟ้าสถิตในการสร้างแรงบิดเบี่ยงเบน ประเภทของเครื่องมือนี้มักจะใช้วัดแรงดันไฟฟ้าสูงแต่ในบางกรณีสามารถใช้วัดแรงดันและพลังงานต่ำๆ ของวงจรที่กำหนดได้ ตอนนี้มีสองวิธีที่แรงสถิตไฟฟ้าสามารถทำงานได้ ซึ่งเขียนไว้ด้านล่างนี้

โครงสร้างของเครื่องมือแบบสถิตไฟฟ้า

1. เมื่อแผ่นหนึ่งถูกตรึงอยู่และแผ่นอื่นสามารถเคลื่อนที่ได้ แผ่นเหล่านี้จะถูกประจุตรงข้ามเพื่อมีแรงดึงระหว่างกัน ตอนนี้เนื่องจากแรงดึงนี้ แผ่นที่เคลื่อนที่จะเคลื่อนไปทางแผ่นที่ตรึงจนกว่าแผ่นที่เคลื่อนที่จะเก็บพลังงานสถิตไฟฟ้าสูงสุด

2. ในการจัดเรียงอื่นอาจมีแรงดึงหรือผลัก หรือทั้งสองอย่าง เนื่องจากการหมุนของแผ่น

สมการแรงและแรงบิดของเครื่องมือแบบสถิตไฟฟ้า

ตอนนี้เราลองพิจารณาสมการแรงสำหรับเครื่องมือแบบสถิตไฟฟ้าเชิงเส้น ให้เราพิจารณาสองแผ่นตามแผนภาพด้านล่าง

แผ่น A มีประจุบวกและแผ่น B มีประจุลบ ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น ตามเงื่อนไขที่เป็นไปได้ (a) เราจะมีการเคลื่อนที่เชิงเส้นระหว่างแผ่น แผ่น A ถูกตรึงและแผ่น B สามารถเคลื่อนที่ได้ ให้เราสมมติว่ามีแรง F ระหว่างแผ่นทั้งสองที่ภาวะสมดุลเมื่อแรงสถิตไฟฟ้าเท่ากับแรงสปริง ณ จุดนี้ พลังงานสถิตไฟฟ้าที่เก็บอยู่ในแผ่นคือ

ตอนนี้สมมติว่าเราเพิ่มแรงดันที่ใช้โดยจำนวน dV ด้วยเหตุนี้แผ่น B จะเคลื่อนที่ไปทางแผ่น A โดยระยะทาง dx งานที่ทำต่อแรงสปริงเนื่องจากการเคลื่อนที่ของแผ่น B คือ F.dx แรงดันที่ใช้มีความสัมพันธ์กับกระแสไฟฟ้าว่า

จากค่าของกระแสไฟฟ้าพลังงานขาเข้าสามารถคำนวณได้ว่า

จากนี้เราสามารถคำนวณการเปลี่ยนแปลงของพลังงานที่เก็บและได้มาว่า

โดยละเว้นข้อกำหนดระดับสูงที่ปรากฏในสมการ ตอนนี้โดยการใช้หลักการอนุรักษ์พลังงาน เราจะมีพลังงานขาเข้าสู่ระบบ = การเพิ่มพลังงานที่เก็บในระบบ + งานเชิงกลที่ระบบทำ จากนี้เราสามารถเขียนได้ว่า

จากสมการข้างต้น แรงสามารถคำนวณได้ว่า

ตอนนี้เราลองพิจารณาสมการแรงและแรงบิดสำหรับเครื่องมือแบบสถิตไฟฟ้าแบบหมุน แผนภาพแสดงด้านล่าง

ในการหาสมการสำหรับแรงบิดเบี่ยงเบนในกรณีของเครื่องมือสถิตไฟฟ้าแบบหมุน ให้แทนที่ F ในสมการ (1) ด้วย Td และ dx ด้วย dA ตอนนี้เขียนสมการใหม่ เราจะได้แรงบิดเบี่ยงเบนเท่ากับ

ตอนนี้ที่ภาวะคงที่เราจะได้แรงบิดควบคุมโดยสมการ Tc = K × A การเบี่ยงเบน A สามารถเขียนได้ว่า

จากสมการนี้เราสรุปได้ว่าการเบี่ยงเบนของเข็มมีความสัมพันธ์โดยตรงกับกำลังสองของแรงดันที่วัด ดังนั้นสเกลจะไม่สม่ำเสมอ ตอนนี้เราลองพิจารณาเรื่องของ Electrometer แบบ Quadrant ซึ่งมักใช้วัดแรงดันตั้งแต่ 100V ถึง 20 กิโลโวลต์ แรงบิดเบี่ยงเบนที่ได้จาก Electrometer แบบ Quadrant ยังมีความสัมพันธ์โดยตรงกับกำลังสองของแรงดันที่ใช้ ข้อดีหนึ่งคือสามารถวัดแรงดันทั้ง AC และ DC ได้ ข้อดีของการใช้เครื่องมือสถิตไฟฟ้าเป็น Voltmeter คือเราสามารถขยายช่วงแรงดันที่วัดได้ ตอนนี้มีสองวิธีในการขยายช่วงของเครื่องมือนี้ เราจะพิจารณาทีละวิธี

(a) โดยใช้ตัวต้านทานแบ่งแรงดัน: แผนภาพวงจรของรูปแบบนี้แสดงด้านล่าง

แรงดันที่ต้องการวัดถูกนำไปใช้ที่ตัวต้านทานรวม r และ Capacitor สถิตไฟฟ้าเชื่อมต่อที่ส่วนของตัวต้านทานรวมที่ระบุว่า r หากแรงดันที่ใช้เป็น DC เราควรทำสมมติฐานว่า Capacitor ที่เชื่อมต่อนั้นมีความต้านทานรั่วไหลเป็นอนันต์ ในกรณีนี้ตัวคูณเท่ากับอัตราส่วนของความต้านทานไฟฟ้าr/R การทำงานของ AC บนวงจรนี้สามารถวิเคราะห์ได้ง่ายเช่นกัน ในกรณีของ AC ตัวคูณเท่ากับ r/R
(b) โดยใช้เทคนิคตัวคูณ Capacitor: เราสามารถเพิ่มช่วงแรงดันที่วัดได้โดยวาง Capacitors แบบอนุกรมตามแผนภาพวงจรด้านล่าง

ขออนุญาติให้เราพิจารณาสมการสำหรับตัวคูณของแผนภาพวงจรที่ 1 ให้เราตั้งค่าความจุไฟฟ้าของ Voltmeter เป็น C1 และ Capacitor แบบอนุกรมเป็น C2 ตามแผนภาพวงจร ตอนนี้การเชื่อมต่อแบบอนุกรมของ Capacitors นี้เท่ากับ

ซึ่งเป็นความจุไฟฟ้ารวมของวงจร ตอนนี้ Impedance ของ Voltmeter เท่ากับ Z1 = 1/jωC1 และ Impedance รวมจะเท่ากับ

ตอนนี้ตัวคูณสามารถกำหนดได้จากอัตราส่วนของ Z/Z1 ซึ่งเท่ากับ 1 + C2 / C1 เช่นเดียวกันตัวคูณสามารถคำนวณได้ ดังนั้นเราสามารถเพิ่มช่วงแรงดันที่วัดได้

ข้อดีของเครื่องมือแบบสถิตไฟฟ้า

ตอนนี้ลองดูข้อดีของเครื่องมือแบบสถิตไฟฟ้า.

1. ข้อดีแรกและสำคัญที่สุดคือเราสามารถวัดแรงดันไฟฟ้าทั้ง AC และ DC ได้ เนื่องจากแรงบิดเบี่ยงเบนเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังสองของแรงดัน

2. การใช้พลังงานน้อยมากในเครื่องมือประเภทนี้ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าที่ใช้น้อย

3. เราสามารถวัดค่าแรงดันไฟฟ้าที่สูง

ข้อเสียของเครื่องมือแบบสถิตไฟฟ้า

แม้ว่าเครื่องมือสถิตไฟฟ้าจะมีข้อดีหลายอย่าง แต่ก็มีข้อเสียดังต่อไปนี้

1. เครื่องมือเหล่านี้มีราคาแพงกว่าเครื่องมืออื่น ๆ และมีขนาดใหญ่

2. สเกลไม่สม่ำเสมอ

3. แรงต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องในการทำงานมีขนาดเล็ก

Statement: ขอให้เคารพต้นฉบับบทความที่ดีมีคุณค่าควรแชร์ หากมีการละเมิดลิขสิทธิ์โปรดติดต่อเพื่อลบ