兩臂式靜電場(chǎng)測(cè)試筆

張　巖　王素紅　張勝海

(信息工程大學(xué),河南 鄭州　450001)

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物理實(shí)驗(yàn)

兩臂式靜電場(chǎng)測(cè)試筆

張巖王素紅張勝海

(信息工程大學(xué),河南 鄭州450001)

利用導(dǎo)電微晶靜電場(chǎng)描繪儀模擬靜電場(chǎng)分布時(shí)，先利用單臂測(cè)試探針找到等勢(shì)點(diǎn)，然后通過(guò)數(shù)條紋格數(shù)的方法確定該等勢(shì)點(diǎn)的位置，該方法導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效率低和測(cè)量精度低.為解決這個(gè)問(wèn)題，根據(jù)圓規(guī)的工作原理，研制了兩臂式靜電場(chǎng)測(cè)試筆.該測(cè)試筆一臂為測(cè)量臂，另一臂為定位臂.試驗(yàn)時(shí)，利用測(cè)量臂測(cè)出等勢(shì)點(diǎn)的位置，再利用兩臂之間的距離確定等勢(shì)點(diǎn)的位置，最后利用圓規(guī)式定位法確定該等勢(shì)點(diǎn)在坐標(biāo)紙上的位置.該測(cè)試筆不僅能極大地提高測(cè)量精度和實(shí)驗(yàn)效率，而且還具有適用范圍廣、試驗(yàn)成本低和制造成本低的優(yōu)點(diǎn).

單臂測(cè)試探針;兩臂式測(cè)試筆;圓規(guī)式定位法

電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)是描述靜電場(chǎng)分布的兩個(gè)基本物理量，但是這兩個(gè)量的直接測(cè)量很困難，所以實(shí)驗(yàn)中常根據(jù)靜電場(chǎng)和電流場(chǎng)具有相同數(shù)學(xué)方程的特點(diǎn)，利用電流場(chǎng)的分布模擬靜電場(chǎng)的分布.首先利用電流場(chǎng)模擬出靜電場(chǎng)的等勢(shì)面，再根據(jù)電場(chǎng)線與等勢(shì)面處處正交的特點(diǎn)做出電場(chǎng)線，整個(gè)電場(chǎng)分布就可以用幾何圖形清楚地表示出來(lái).目前普通物理實(shí)驗(yàn)中廣泛使用的靜電場(chǎng)描繪儀都存在著一些弊端[1-3]，本文針對(duì)我校使用的導(dǎo)電微晶靜電場(chǎng)描繪儀測(cè)量精度低、效率低的弊端進(jìn)行改進(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)，還極大地降低了實(shí)驗(yàn)成本.

1　GVZ-4型導(dǎo)電微晶靜電場(chǎng)描繪儀的缺點(diǎn)

圖1　GVZ-4型導(dǎo)電微晶靜電場(chǎng)描繪儀

GVZ-4型導(dǎo)電微晶靜電場(chǎng)描繪儀(圖1)是一種便攜式導(dǎo)電微晶靜電場(chǎng)描繪儀[4]，包括箱體，電控器和兩塊導(dǎo)電微晶，其中第一塊導(dǎo)電微晶上設(shè)置同心圓電極和平行導(dǎo)線電極，第二塊導(dǎo)電微晶上設(shè)置劈尖形電極和聚焦電極.同心圓電極上印有極坐標(biāo)；平行導(dǎo)線電極、劈尖形電極和聚焦電極上均印有平面直角坐標(biāo).實(shí)驗(yàn)用坐標(biāo)紙有兩類，一類紙上印有極坐標(biāo)，另一類紙上印有平面直角坐標(biāo).紙質(zhì)坐標(biāo)和電極上坐標(biāo)可以完全重合.

試驗(yàn)時(shí)，利用單臂測(cè)試探針測(cè)量出等勢(shì)點(diǎn)C(或D)后，以電極A(或B)為參考原點(diǎn)，利用數(shù)坐標(biāo)線條數(shù)的方法確定其在導(dǎo)電微晶上的位置(圖2)，然后在坐標(biāo)紙上確定出電極A(或B)的位置，以相同的電極為參考原點(diǎn)，數(shù)出相同的坐標(biāo)線條數(shù)確定C(或D)在坐標(biāo)紙上的位置(見(jiàn)圖3).

圖2　測(cè)量平行導(dǎo)線電極的等電勢(shì)點(diǎn)

圖3　在坐標(biāo)紙上標(biāo)示出等勢(shì)點(diǎn)

該過(guò)程存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1) 通過(guò)沿x(水平)和y(豎直)兩個(gè)方向數(shù)坐標(biāo)線條數(shù)確定等勢(shì)點(diǎn)C(或D)的位置，耗時(shí)長(zhǎng)且容易數(shù)錯(cuò)；

(2) 數(shù)坐標(biāo)線過(guò)程中，單臂測(cè)試探針的位置容易滑動(dòng)，還需要重新尋找等勢(shì)點(diǎn)C(或D)；

(3) 當(dāng)?shù)葎?shì)點(diǎn)為D(非x向和y向坐標(biāo)線的交點(diǎn))時(shí)，在導(dǎo)電微晶上和在坐標(biāo)紙上確定D點(diǎn)位置均需要估讀，會(huì)有兩次估讀誤差；

(4) 長(zhǎng)期使用時(shí)，單臂測(cè)試探針針頭與導(dǎo)電微晶相摩擦，不僅損傷導(dǎo)電微晶，且使探針針頭變粗，使測(cè)量的等勢(shì)點(diǎn)為一個(gè)面，引入測(cè)量誤差.

可以看出，該描繪儀測(cè)量精度低、耗時(shí)長(zhǎng)的原因是由于單臂測(cè)試探針測(cè)量出等勢(shì)點(diǎn)后，利用數(shù)坐標(biāo)線條數(shù)的方法確定其位置引起的.為解決這個(gè)問(wèn)題，仿照?qǐng)A規(guī)的工作原理，設(shè)計(jì)兩臂式靜電場(chǎng)測(cè)試筆代替單臂測(cè)試探針，利用兩臂之間的距離代替數(shù)坐標(biāo)線條數(shù)確定等勢(shì)點(diǎn)相對(duì)參考原點(diǎn)的位置.

2　兩臂式靜電場(chǎng)測(cè)試筆的結(jié)構(gòu)及工作原理[5]

兩臂式靜電場(chǎng)測(cè)試筆的外形似圓規(guī)，有電控器連接線1、測(cè)量臂2和定位臂4三個(gè)部分構(gòu)成，見(jiàn)圖4.

圖4　兩臂式靜電場(chǎng)測(cè)試筆結(jié)構(gòu)圖

測(cè)量臂2末端的測(cè)量探針3為鉛芯，鉛芯較細(xì)，可使測(cè)量的等勢(shì)點(diǎn)為導(dǎo)電微晶上的一個(gè)點(diǎn)；鉛芯較軟，測(cè)量探針在導(dǎo)電微晶上滑動(dòng)尋找等勢(shì)點(diǎn)的過(guò)程中不會(huì)劃傷導(dǎo)電微晶；鉛芯的長(zhǎng)度可隨時(shí)調(diào)整且更換方便.測(cè)量探針的作用有兩個(gè)：測(cè)量等勢(shì)點(diǎn)的電壓和在坐標(biāo)紙上畫(huà)弧.

定位臂4末端的定位針5的材質(zhì)為鋼，考慮到長(zhǎng)期使用時(shí)定位針磨損變粗，影響定位精度，定位針可更換且更換方便.定位針的作用是定位于參考原點(diǎn).

試驗(yàn)時(shí),將電控器連接線1連接到電控器上，利用測(cè)量探針3測(cè)出等勢(shì)點(diǎn)后，將定位針5拉到參考原點(diǎn)，利用測(cè)量探針與定位針之間的距離確定等勢(shì)點(diǎn)相對(duì)參考原點(diǎn)的位置.按如下所述的圓規(guī)式定位法確定該等勢(shì)點(diǎn)在坐標(biāo)紙上的位置，具體做法如下(圖5)：

圖5　在坐標(biāo)紙上標(biāo)示出等勢(shì)點(diǎn)

(1) 根據(jù)導(dǎo)電微晶上電極A和B的位置(圖2)，在坐標(biāo)紙上確定兩電極的對(duì)應(yīng)位置A′和B′；

(2) 用測(cè)量探針3在導(dǎo)電微晶上尋找到等電勢(shì)點(diǎn)C(或D)；

(3) 固定測(cè)量探針3在C點(diǎn)(或D)點(diǎn)，拉開(kāi)定位針5到電極A處；

(4) 保持測(cè)量探針3與定位針5的間距R1不變，在坐標(biāo)紙上，以電極A′為圓心，R1為半徑，畫(huà)??；

(5) 固定測(cè)量探針在C點(diǎn)(或D)點(diǎn)，拉開(kāi)定位針到電極B處；

(6) 保持兩針間距R2不變，在坐標(biāo)紙上，以電極B′為圓心，R2為半徑，畫(huà)??；

(7) 兩弧交點(diǎn)即為等勢(shì)點(diǎn)C(或D)在坐標(biāo)紙上的位置.

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(lái)就可得到等勢(shì)線，再根據(jù)電場(chǎng)線與等勢(shì)面處處正交的特點(diǎn)做出電場(chǎng)線，就得到電場(chǎng)分布情況.

3　兩臂式靜電場(chǎng)測(cè)試筆的優(yōu)點(diǎn)

兩臂式靜電場(chǎng)測(cè)試筆在測(cè)量探針測(cè)出等勢(shì)點(diǎn)后，利用圓規(guī)式定位法確定該等勢(shì)點(diǎn)的位置，不僅極大地提高了測(cè)量精度和實(shí)驗(yàn)效率，而且還具有如下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

(1) 無(wú)需專用坐標(biāo)紙，降低了實(shí)驗(yàn)成本.利用圓規(guī)式定位法確定等勢(shì)點(diǎn)時(shí)，可以在任意一張白紙上繪制出等勢(shì)曲線，無(wú)需購(gòu)買專用的坐標(biāo)紙，降低了實(shí)驗(yàn)成本；

(2) 無(wú)需在導(dǎo)電微晶上繪制坐標(biāo)線，減少了制造工藝，在提高制造精度的同時(shí)，也降低了生產(chǎn)成本；

(3) 適用范圍廣，可描繪任意形狀帶電體的電場(chǎng)分布.利用兩臂式靜電場(chǎng)測(cè)試筆描繪靜電場(chǎng)時(shí)，由于無(wú)需在導(dǎo)電微晶上繪制坐標(biāo)線，也無(wú)需專用坐標(biāo)紙，所以就無(wú)需事先知道帶電體的靜電場(chǎng)分布情況，因而可以繪制任意形狀帶電體的電場(chǎng)分布.

實(shí)踐表明，利用兩臂式靜電場(chǎng)測(cè)試筆繪制靜電場(chǎng)速度快、精度高、適用范圍廣、實(shí)驗(yàn)成本低，可以為學(xué)生節(jié)省大量的時(shí)間，使學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)可以從事更多的實(shí)驗(yàn)探索，能極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣.

[1]代偉.靜電場(chǎng)描繪儀的改進(jìn)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2011,24(3):42-44.

[2]徐榮,趙保明.“模擬靜電場(chǎng)”實(shí)驗(yàn)中描繪儀的改進(jìn)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),1977,10(4):22-24.

[3]黃小舟,張靈輝,溫建平,等.導(dǎo)電微晶靜電場(chǎng)描繪儀的改進(jìn)[J].廣西物理,2014,35(2):28-31.

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

[5]張巖,王素紅,張勝海.靜電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)筆及使用該實(shí)驗(yàn)筆的導(dǎo)電微晶靜電場(chǎng)描繪儀:中國(guó),ZL201220488565.5[P],2013,03,13.

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TWO ARMS ELECTROSTATIC FIELD TEST PEN

Zhang YanWang SuhongZhang Shenghai

(The PLA Information Engineering University, Zhengzhou, Henan 450001)

Low efficiency and low accuracy are caused by using the one arm test pen to depict the electrostatic field distribution. To solve the problem, the two arms test pen is developed according to the working principle of compasses. One arm of this test pen has the function of testing the equal potential, and the other of it has the function of location. In the experiment, firstly use the measurement arm to get the position of the equipotential point. And then verify the location of the equipotential point by the distance of two arms. Finally, determine the equipotential points on the graph paper and depict the electrostatic field distribution by the compass positioning method. This two arms test pen have many advantages consisting of the higher efficiency and the higher precision, the wider application, the lower experimental cost and lower instrument manufacturing cost.

one arm test pen; two arms test pen; compass positioning method

2015-12-05;

2016-02-23

張巖，女，講師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研工作.zhangyanhuanglei@126.com

文章說(shuō)明: 該設(shè)計(jì)已獲得實(shí)用新型專利，專利號(hào)為：ZL201220488565.5.

引文格式: 張巖，王素紅，張勝海. 兩臂式靜電場(chǎng)測(cè)試筆[J]. 物理與工程，2016，26(3)：26-28.