5.5. Электростатические приборы

Принцип действия электростатических приборов основан на взаимодействии электрически заряженных проводников.

Одна из распространенных конструкций электростатического измери­тельного механизма приведена на рис. 5.16. Подвижная алюминиевая пластина 1, закрепленная вместе со стрелкой на оси 3, может переме­щаться, взаимодействуя с двумя электрически соединенными непо­движными пластинами 2. Входные зажимы (не показаны), к которым подводится измеряемое напряжение, соединены с подвижной и непо­движными пластинами. Под действием электростатических сил подвиж­ная пластина втягивается в пространство между неподвижными пла­стинами. Движение прекращается, когда противодействующий момент закрученной пружины становится равным вращающему моменту.

Энергия электростатического поля, запасенная электростатическим измерительным механизмом,

Рис. 5.16. Конструкция электростатического измерительного механизма:

1 – подвижная пластина; 2 – неподвижная пластина; 3 – ось вращения

W = (1/2)CU² , (5.24)

где С — емкость между пластинами, зависящая от их взаимного расположения;

U — измеряемое напряжение.

Следовательно, вращающий момент

М_ВР = ∂W/∂α = (1/2) (∂C/∂α)U² . (5.25)

Противодействующий момент M_ПР= Wα при равновесии равен М_ВР .

Таким образом, уравнение преобразования электростатического при­бора

имеет вид

α = (1/2W) (∂C/∂α) U² (5.26)

Из (5.26) следует, что показание прибора не зависит от полярности приложенного напряжения.

В случае переменного тока следует произвести усреднение показаний по времени:

, (5.27)

где u(t) — мгновенное значение измеряемого переменного напряжения;

U - его действующее значение;

Т — период времени, за который произ­водится усреднение.

Таким образом, квадратичность уравнения преобразования

(при дС/дα - const) сохраняется и на переменном токе. Поэтому приходится добиваться линеаризации шкалы специальным выбором формы пла­стин.

К достоинствам приборов электростатической системы относятся ши­рокий частотный диапазон, ничтожное потребление энергии, независи­мость

показаний от внешних магнитных полей.

К недостаткам следует отнести низкую чувствительность, невысокую

Рис. 5.17. Схема емкостного делителя

точность, необходимость экранирования измерительного механизма от

влияния внешних электрических полей.

Приборы электростатической системы в основном используются в лабораторной практике для измерения напряжений в высокоомных цепях на частотах от нескольких герц до нескольких мегагерц. При­менение электрон-

ных усилителей позволяет значительно увеличить чувствительность приборов

и использовать их в качестве милливольт­метров. Применение емкостных

делителей расширяет верхний предел измерения вольтметров до значений

порядка нескольких киловольт. Емкостный делитель, показанный на рис. 5.17, имеет коэффициент де­ления

и обеспечивает увеличение верхнего предела измерения вольтметра в

1/к = С2/С1 + 1 раз. (Это справедливо, если собственная емкость элект­ростатического вольтметра много меньше С2. В противном случае значение к должно быть уточнено).