三點(diǎn)式靜電場測試筆

張　巖，王素紅，張勝海，王　榮

(信息工程大學(xué) 理學(xué)院,河南 鄭州 450001)

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三點(diǎn)式靜電場測試筆

張巖，王素紅，張勝海，王榮

(信息工程大學(xué) 理學(xué)院,河南 鄭州 450001)

摘要：針對(duì)GVZ-4型導(dǎo)電微晶靜電場描繪儀測量精度差和實(shí)驗(yàn)效率低的弊端，研制了三點(diǎn)式靜電場測試筆. 該三點(diǎn)為測試點(diǎn)、動(dòng)定位點(diǎn)和靜定位點(diǎn). 在導(dǎo)電微晶上進(jìn)行測量時(shí)，將動(dòng)定位點(diǎn)和靜定位點(diǎn)放于參考點(diǎn)，測試點(diǎn)測出電勢(shì)點(diǎn)位置后，這三點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的三角形. 在沒有形變的情況下，將動(dòng)、靜定位點(diǎn)放于紙上相應(yīng)的參考點(diǎn)，測試點(diǎn)的位置隨之而定，該點(diǎn)就是等勢(shì)點(diǎn). 利用三點(diǎn)式靜電場測試筆進(jìn)行測量，不僅能提高測量精度和實(shí)驗(yàn)效率，而且可以降低實(shí)驗(yàn)成本及制造成本低.

關(guān)鍵詞：靜電場；三點(diǎn)式測試筆;測試點(diǎn);動(dòng)定位點(diǎn);靜定位點(diǎn)

模擬法描繪靜電場是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn). 該實(shí)驗(yàn)根據(jù)靜電場和穩(wěn)恒電流場具有相同數(shù)學(xué)方程的特點(diǎn)，利用電流場的分布模擬靜電場的分布. 目前普通物理實(shí)驗(yàn)中廣泛使用的靜電場描繪儀都存在著一些弊端[1-3]，本設(shè)計(jì)針對(duì)GVZ-4型導(dǎo)電微晶靜電場描繪儀測量精度差、效率低的弊端進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的描繪儀在確保實(shí)驗(yàn)高精度、高效率的同時(shí)，還降低了實(shí)驗(yàn)成本.

1GVZ-4型導(dǎo)電微晶靜電場描繪儀的缺點(diǎn)

GVZ-4型導(dǎo)電微晶靜電場描繪儀(如圖1所示)是一種便攜式導(dǎo)電微晶靜電場描繪儀[4]，包括箱體、電控器和2塊導(dǎo)電微晶. 導(dǎo)電微晶上共有4種電極和2類平面坐標(biāo)， 導(dǎo)電微晶上的平面坐標(biāo)可以與坐標(biāo)紙上的平面坐標(biāo)完全重合.

圖1　GVZ-4型導(dǎo)電微晶靜電場描繪儀

實(shí)驗(yàn)時(shí)，用單臂測試探針測量出等勢(shì)點(diǎn)C(或D)后，以電極A和B為參考點(diǎn)，通過數(shù)水平和豎直方向的坐標(biāo)線條數(shù)確定其在導(dǎo)電微晶上的位置(如圖2所示)，然后在坐標(biāo)紙上以相應(yīng)的電極A和B為參考點(diǎn)，數(shù)出相同的坐標(biāo)線條數(shù)確定其在坐標(biāo)紙上的位置(如圖3所示)，從而得到1個(gè)等勢(shì)點(diǎn).

圖3　在坐標(biāo)紙上標(biāo)示出等勢(shì)點(diǎn)

該過程存在以下問題：

1) 數(shù)坐標(biāo)線條數(shù)確定等勢(shì)點(diǎn)位置，耗時(shí)長且容易數(shù)錯(cuò).

2) 數(shù)坐標(biāo)線過程中，探針位置容易滑動(dòng)，需重新尋找等勢(shì)點(diǎn).

3) 當(dāng)?shù)葎?shì)點(diǎn)為D(非坐標(biāo)線的交點(diǎn))時(shí)，確定D點(diǎn)位置會(huì)有4次估讀誤差.

4) 長期使用，針頭與導(dǎo)電微晶相摩擦，損傷導(dǎo)電微晶，且使探針針頭變粗，引入測量誤差.

該描繪儀測量精度差和效率低的原因是由于單臂測試探針測出等勢(shì)點(diǎn)后，數(shù)坐標(biāo)線條數(shù)確定其位置引起的. 為解決該問題，根據(jù)三角形3個(gè)頂點(diǎn)的相對(duì)位置不隨空間位置變化的特點(diǎn)，研制了三點(diǎn)式靜電場測試筆.

2三點(diǎn)式靜電場測試筆

2.1三點(diǎn)式靜電場測試筆的結(jié)構(gòu)

如圖4所示，三點(diǎn)式靜電場測試筆[5]由絕緣底座、導(dǎo)線和測試筆3部分構(gòu)成.

圖4　三點(diǎn)式靜電場測試筆

絕緣底座由直線導(dǎo)軌、靜定位點(diǎn)和動(dòng)定位點(diǎn)構(gòu)成，動(dòng)定位點(diǎn)可沿直線導(dǎo)軌移動(dòng).

導(dǎo)線穿過金屬軟管，一端與測試筆連接，另一端穿過絕緣底座作為電控器連接線，兩端之間的導(dǎo)線套有金屬軟管，金屬軟管可自由彎曲.

測試筆末端為測試點(diǎn)，其材質(zhì)為鉛芯，鉛芯較細(xì)，定位準(zhǔn)確且使用過程中不會(huì)劃傷導(dǎo)電微晶. 鉛芯的長度可利用側(cè)壓鍵調(diào)整，且更換方便.

2.2三點(diǎn)式靜電場測試筆的工作原理

實(shí)驗(yàn)時(shí),將電控器連接線連接到電控器上，將靜定位點(diǎn)放置于電極A處，動(dòng)定位點(diǎn)沿導(dǎo)軌移動(dòng)到電極B處；在導(dǎo)電微晶上移動(dòng)測試筆，用測試點(diǎn)找到等勢(shì)點(diǎn)，該等勢(shì)點(diǎn)與2個(gè)定位點(diǎn)構(gòu)成穩(wěn)定的三角形. 根據(jù)幾何知識(shí)，當(dāng)三角形沒有形變時(shí)，無論將其放置于何處，該三角形3個(gè)頂點(diǎn)的相對(duì)位置均不會(huì)發(fā)生變化. 因此，只要在坐標(biāo)紙上將三點(diǎn)式測試筆的2個(gè)定位點(diǎn)放置于相應(yīng)的參考點(diǎn)后，測試點(diǎn)在坐標(biāo)紙上的位置就是該等勢(shì)點(diǎn)的位置，這種確定等勢(shì)點(diǎn)位置的方法稱為三點(diǎn)定位法.

2.3三點(diǎn)式靜電場測試筆的使用

以確定帶電長直導(dǎo)線電場為例(如圖5所示)，介紹該測試筆的使用方法.

圖5　帶電長直導(dǎo)線

1)電極A位于極心處，在任一極徑上任取一點(diǎn)為參考點(diǎn)B，根據(jù)A和B的位置，在極坐標(biāo)紙上確定相應(yīng)兩點(diǎn)A′和B′.

2)在導(dǎo)電微晶上，將靜定位點(diǎn)放于電極A處，動(dòng)定位點(diǎn)放于參考點(diǎn)B處，拉動(dòng)金屬軟管使測試點(diǎn)在導(dǎo)電微晶上滑動(dòng)，尋找到等電勢(shì)點(diǎn)C，這3個(gè)點(diǎn)構(gòu)成三角形.

3)不改變?nèi)切蔚男螤?，將其平移到坐?biāo)紙上，并將靜定位點(diǎn)放于A′處，動(dòng)定位點(diǎn)放于B′處，則測試點(diǎn)在坐標(biāo)紙上的位置就是等勢(shì)點(diǎn)C的位置，用鉛芯畫出此位置.

按照上述方法在坐標(biāo)紙上確定若干等勢(shì)點(diǎn)后，連接起來就可得到等勢(shì)線，再根據(jù)電場線與等勢(shì)面處處正交的特點(diǎn)做出電場線，得到帶電長直導(dǎo)線電場情況的幾何分布(如圖6所示).

圖6　帶電長直導(dǎo)線電場分布圖

3三點(diǎn)式靜電場測試筆的優(yōu)點(diǎn)

三點(diǎn)式靜電場測試筆在導(dǎo)電微晶上測出等勢(shì)點(diǎn)后，利用三點(diǎn)定位法可以直接確定其在坐標(biāo)紙上的位置，不僅提高了測量精度和實(shí)驗(yàn)效率，而且還具有如下優(yōu)勢(shì)：

1) 利用該設(shè)計(jì)，可在任意紙上繪制出等勢(shì)曲線，無需專用的坐標(biāo)紙，降低了實(shí)驗(yàn)成本.

2) 無需在導(dǎo)電微晶上繪制坐標(biāo)線，減少制造工藝，不僅能提高制造精度，也能降低制造成本.

3) 適用范圍廣，可描繪復(fù)雜形狀帶電體的電場分布. 利用三點(diǎn)式靜電場測試筆測量，無需事先知道帶電體的靜電場分布情況，因而可以繪制任意形狀帶電體的電場分布.

實(shí)踐表明，利用三點(diǎn)式靜電場測試筆描繪靜電場速度快、精度高、適用范圍廣、實(shí)驗(yàn)成本低，為學(xué)生節(jié)省近3/4的時(shí)間，使學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)能從事更多的實(shí)驗(yàn)探索，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情[6-8].

參考文獻(xiàn)：

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[4]王素紅,張勝海,王榮. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2014:48-51.

[5]張巖,王素紅,張勝海,等. 適用于導(dǎo)電微晶靜電場描繪儀的三點(diǎn)式靜電場測試筆[P]. 中國專利：ZL201521073487.2,2015-12-23.

[6]寇敏,姜偉. 趣味靜電實(shí)驗(yàn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2014,34(9):17-19.

[7]李燕妙,吳先球. 多功能摩擦力演示儀[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2015,35(8):18-20.

[8]王鑫,楊胡江. 虛實(shí)結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2015,35(10):15-18.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Three-point electrostatic field test pen

ZHANG Yan, WANG Su-hong, ZHANG Sheng-hai, WANG Rong

(Institute of Science， The PLA Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract:Low efficiency and low accuracy were caused by using the one arm test pen to depict the electrostatic field distribution. To solve the problem，a three-point test pen was developed. The three points were test point, fixed anchor point and removable anchor point. Using this three-point test pen to depict the electrostatic field distribution，a triangle was formed by the three points, when fixed anchor point was placed on the electrode A and removable anchor point was placed on the electrode B，the position of the equipotential points were located by the test point and depicted on the coordinate paper. The advantages of this three-point test pen were high efficiency, high precision, low cost and wide application.

Key words:electrostatic field; three point test pen； test point； fixed anchor point； removable anchor point

中圖分類號(hào)：O441.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)08-0019-03

作者簡介：張巖(1978-)，女，河南遂平人，信息工程大學(xué)理學(xué)院講師，碩士，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研工作.

收稿日期：2016-02-24