Электростатические вольтметры

Если между поверхностями металлических электродов идеального плоского конденсатора с помощью электродов А и расстояниями между ними х создано электрическое поле напряженностью Е, то на электроды действует притягивающая сила F. Ее значение рассчитывается из условия стремления системы к минимуму накопленной электрической энергии :

. (3.4)

Эта сила создает давление F(x)/A, действующее на любой элемент поверхности электрода, даже если напряженность поля на поверхности электрода неодинакова. Уравнение (3.4) подсказывает принцип измерения напряженности поля путем регистрации силового действия поля. Однако в электростатическом вольтметре напряженность поля обусловлена приложенным напряжением и электродной системой, и в случае плоского конденсатора можно записать уравнение

U=Ex; . (3.5)

Таким образом, сила пропорциональна квадрату напряжения или напряженности. Следовательно, электростатическими вольтметрами можно измерять постоянное напряжение или эффективное значение переменного напряжения, если сила усредняется во времени. Верхняя частота не ограничивается в случае, когда поле между электродами остается квазиэлектростатическим. Если сила измеряется без перемещения, то от источника измеряемого напряжения мощность не отнимается. Так как практически во всех конструкциях измерительный электрод перемещается на очень небольшое расстояние, а общая накопленная энергия W невелика, то эти приборы практически не потребляют активной мощности, если пренебречь током утечки изоляции.

Электростатические вольтметры разнообразны по конструктивному выполнению.

Для диапазона среднего напряжения (от 10 до 100 кВ) имеются относительно дешевые конструкции электростатических киловольтметров, применяемые в тех случаях, когда недопустимо подключение устройств, потребляющих мощность, при этом предпочтительной является электродная система с плоскими закругленными на краях электродами, в которой можно осуществлять изменение диапазона измеренных напряжений путем изменения расстояния между электродами. Собственно измерительная система и система отсчета на шкале прибора сильно различаются. Известный вольтметр Штырке-Шрёдера содержит металлическую пластинку, закрепленную на эксцентричной подвеске.

Рис. 3.3. Устройство вольтметра Штырке-Шрёдера:

1 - электроды с профилем Роговского; 2 – вырез на электроде; 3 – источник света; 4 – шкала; 5 – эксцентрично расположенная пластинка с возвратной пружиной

При напряжении больше 100 кВ размеры электродов, работающих в воздухе, становятся очень большими. Если в качестве рабочей среды иметь элегаз под давлением 5×10⁵ Па, то эффективное значение рабочей напряженности составит 100 кВ/см, тогда с приемлемыми затратами могут быть изготовлены приборы для измерения постоянного и переменного напряжения до 1000 кВ с высокой точностью (погрешность равна 0,1 %). Так как в настоящее время возможны абсолютные, точные измерения силы с помощью балансирных весов с привлечением оптических или оптоэлектронных методов и измерение напряжения в электродной системе сводится к изменению силы и перемещения, то можно говорить об абсолютном изменении напряжения.