4.6. Електростатична срістема

Умовне позначення

В електростатичних вимірювальних механізмах обертовий момент виникає у результаті взаємодії двох систем заряджених провідних пластин, одна з яких рухома. З принципу роботи цих механізмів витікає, що вони безпосередньо можуть вимірювати тільки напругу, тобто застосовуватися у вольтметрах. Шкала електростатичних вольтметрів квадратична. Електростатичні вимірювальні механізми застосовуються у малопотужних колах для вимірювання напруг до десятків і сотень кіловольт у широкому діапазоні частот (20 Гц—30МГц) без застосування громіздких резисторів, які мають велику потужність втрат. Точність цих приладів відповідає класам 1,0; 1,5; 2,5.

У вимірювальних механізмів приладів електростатичної системи обертовий момент створюється електростатичними силами взаємодії заряджених електродів. Під дією вимірюваної напруги заряджаються системи рухомих 1 і нерухомих пластин приладу (рис. 4.16). Електростатичні сили притягання, які при цьому виникають, створюють обертовий момент. Протидіючий момент створюється пружиною 3. Зміна полярності напруги не змінює напрямку дії обертового моменту, відповідно, електростатичний вольтметр придатний для вимірювання постійної і змінної напруги. У ряді випадків суттєвою перевагою приладу є те, що він практично не споживає енергії. Однак при невеликих напругах обертовий момент дуже малий, тому доводиться збільшувати кількість пластин і замість установки на кернах підвішувати рухому частину на нитці. Електростатичні вольтметри застосовуються переважно у лабораторіях для вимірювань у колах малої потужності і при безпосередніх вимірюваннях високих напруг.

У кожному електростатичному приладі є два металічних електроди, які добре ізольовані один від одного. Один з електродів закріплений нерухомо, інший посаджений на вісь або підвішений на нитці. Рухомий електрод 1 закріплений на осі стрілки і зробле­ний у вигляді тонкої алюмінієвої пластини спеціальної форми. З рухомим електродом закріплені стрілка і заспокоювач. Нерухо­мий електрод 2 утворений електричним чином з'єднаними між собою пластинами. При вмиканні напруги на електроди, вони заряджаються різнойменно і починають взаємно притягуватися. Електрод 1 втягується у простір між пластинами 2. За рахунок цього виникає обертовий момент. Протидіючий момент отри­мується за рахунок закручування пружинок спіральних або за рахунок закручування нитки підвісу. Для заспокоєння коливань рухомої частини може служити постійний магніт. У приладах цього типу збільшенню показів відповідає зміна активної частини робочих поверхонь електродів.

Загальний вираз обертового моменту для електростатичного приладу має вигляд:

де (dW_Е - зміна енергії електричного поля при зміні положення рухомої частини на dα.

Енергія поля зарядженого конденсатора, як відомо, визна­чається рівнянням:

тому

де С — ємність, яка утворюється електродами електростатич­ного приладу.

Якщо протидіючий момент створюється пружинами або підвісом, то

де W — питомий протидіючий момент; а — кут відхилення стрілки. З умови рівноваги М_пp — М_об отримуємо рівняння шкали:

З рівняння шкали (4.50) бачимо, що при умові постійності ємності С шкала буде квадратична, однак фактично ємність С при русі рухомої частини приладу змінюється у широких межах. Підбором форми і початкового розміщення пластин у приладах досягають лінеаризації шкали у такій мірі, що робоча частина шкали починається з 1/5 загальної довжини шкали.

Рівняння шкали показує, що механізм електростатичної системи не полярний — при зміні знаку вимірюваної величини V знак кута відхилення рухомої частини не змінюється, оскільки V у квадраті. Тому ці прилади придатні для постійного та змінного струмів і їх покази згідно формули не залежать від частоти. Це дійсно має місце при широкому діапазоні частот. Правильність показів приладів може бути порушена зовнішнім електричним полем. З метою запобігання таких впливів прилади екранують металічним корпусом.

При вимірюванні напруги постійного струму електростатичний вольтметр не споживає енергії, оскільки струм який протікає через нього, при установленому положенні рухомої частини дорівнює 0. При вимірюванні вольтметром напруги змінного струму через нього протікає ємнісний струм. Вольтметр з верхньою межею вимірювання 6 кВ має ємність порядку 5 пФ і, відповідно, при частоті 50 Гц через нього протікає струм І_с = 6000 • 2Р · 50 · 5 • 10 ^-12 = 0,9 мкА; при цьому споживається реактивна потужність Q= 6000 • 0,9 • 10 ^{- б} = 5,4 • 10 ^-3 В · Ар. Активна потужність від джерела напруги у цьому разі не споживається, якщо не враховувати малих втрат в ізоляції.

Область застосування. Незалежність показів від частоти, відсутність споживання енергії при постійному струмі і дуже мале споживання енергії (тільки реактивної) при змінному струмі роблять електростатичні прилади дуже цінними у лабораторних роботах. У виробничих установах ці прилади застосовують рідко. Електричні механізми особливої конструкції, що називаються електрометрами використовують науково-дослідних роботах для вимірювання потужності. У поєднанні із складною електронною схемою ці прилади можна використовувати не тільки для вимірювання напруг але і для струмів, в якості амперметрів.

Електростатичні вольтметри (клас точності 1,5) з межами вимірювань від 30 B до 3 кВ (при частоті 10 МГц) випускаються промисловістю.