CN101937624A - 静电场描绘仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种静电场描绘仪，所述的静电场描绘仪为双层结构，下层板为底座用来安放电极电场，上层板用来放置记录纸，每一层设置一个移动探针，两探针的臂均与一个探针同步装置相连，所述探针还与一个电位判断装置相连，所述的电极间的电介质由镀有ITO膜的导电玻璃实现，本装置克服了公知技术的电场描绘仪的缺点，移动探针找点方便快捷，探针与电介质接触良好，尤其设有电位判断装置，等电位点判断准确，实验过程增加了趣味，作记录的装置快速准确。
Description
技术领域
本发明一般涉及一种物理实验仪器，特别是一种静电场描绘仪。
背景技术
静电场描绘仪是一种物理实验仪器，主要用于大专院校基础物理学生实验用。(1)供学生学习用模拟法描述和研究静电场分布的概念和方法；(2)加深对电场强度和电势概念的理解；(3)学习用图示法表示实验结果。描绘静电场的实验装置和方法很多，有电解槽法、火花打点记录法、复印法、等臂记录法等。传统的静电场描绘仪大多采用类似恒立达公司生产的等臂记录法静电场描绘仪，用等臂记录法作实验，在其中又使用三种做法：一种是采用涂有石墨的导电纸作为电介质，通过探针和定位针，实现定量记录和数据分析；第二种是用水来代替导电纸作电介质，第三种是用导电微晶作电介质，导电微晶和电极安放在仪器下层。
公知的静电场描绘仪存在的主要不足：
1、用导电纸作电介质存在的缺陷有：(1)导电纸上导电薄层涂得不均匀，导电纸电阻在各个方向均匀性较差，这样电流场分布与被模拟静电场分布不完全一样，使得实验准确度、重复性较差；(2)电极与导电纸的接触不均匀以及探针与导电纸的接触因人，因次数而异，使得接触电阻不稳定，影响描绘结果；(3)测量时，探针在导电纸上接触移动且重复接触，使得导电纸破损，这样一方面直接影响导电纸的导电性能，影响实验效果；另一方面影响导电纸的使用寿命，频繁更换导电纸，加大实验成本。
2、用水来代替导电纸作电介质存在的缺陷有：(1)水是弱电解质，在外加直流电源的作用下，电解产生氢气和氧气，这些气体以气泡的形式附在电极表面，(2)每次实验都要更换水槽中的水，且水槽中水的多少还影响模拟的效果，这样给学生实验带来极大的不方便。
3、用导电微晶作电介质来代替导电纸作电介质的缺点是导电微晶价格贵，且导电微晶易损坏。
4、公知仪器联结上下两探针的固定手柄座质量很大，与实验台的摩擦力很大，在移动描点时很难控制它的移动方向。
5、电场中的等电位点的观测方面，传统的静电场描绘仪都采用数字电压表，数字万用表或检流计来寻找电场中的等电位点，在使用中发现用这种方法观测等电位点时仪表计数不稳定，观测难度大，使用不方便。
发明内容
本发明的目的在于提供一个能克服公知技术缺点，测量重复性好，描点方便，等电位点的观测简单，记录准确的静电场描绘仪。
为实现上述目的，本发明的方案为：所述的静电场描绘仪为双层结构，下层板为底座用来安放电极电场，上层板用来放置记录纸，每一层设置一个移动探针，两探针的臂均与一个探针同步装置相连，所述的下层探针还与一个电位判断装置相连。
进一步的方案包括，所述的同步装置包括两个拉开距离连接的铰链，一个铰链的铰链孔配合的轴销固定在下层板上，另一铰链的铰链孔配合的轴销的上下端分别与上下探针臂相连。
方案还包括，下层设有与下探针配合的电极电场，上层设有与上探针配合的记录装置。
采用上述方案，探针在静电场中移动方便灵活，操作方便，定位精确，能够很快地找到同电位点，而且记录该点位置方便准确，从而实现了本发明的目的。
下面结合图示及实施例对方案作更详细的说明。
附图说明
图1为静电场描绘仪的主视图；
图2为图1的俯视图；
图3为静电场描绘仪长直同轴圆柱面电极正视图；
图4为图3的俯视图；
图5为静电场描绘仪两平行长直圆柱体电极正视图；
图6为图5的俯视图；
图7为静电场描绘仪聚焦电极正视图；
图8为图7俯视图；
图9为静电场描绘仪的电位判断装置线路图；
图10为图9中电位判断装置的机箱面板。
具体实施方式
如图1及图2所示，本方案的静电场描绘仪由四根向上直立的立柱1支持两个平行的板组成一双层结构，包括下板2和上板3，每一层设置一个移动探针，与下板2配合为探针4，与上板3配合为探针5，如方案所述，两个探针的臂均与一个探针同步装置相连，本实施例的探针同步装置包括有两个距离隔开的铰链6和铰链7，两个铰链之间用铰链固定板8连接，其中一个铰链6配合的轴销9固定在下板2的边缘，铰链7的轴销10的上下各与两个探针的臂固定连接，固定形式保证两个探针的臂保持相对位置，最好是互相平行，使两个探针在移动过程中同步，如探针4在下板移动一个位置，则探针5在上板也移动相应位置。
下板2的探针4的结构包括在探针盒内伸出的针头11与一个压缩弹簧12配合，一直向下在软弹簧的作用下保证其与导电介质良好接触，针头11通过导线30与电位判断装置中的VC相连。上板3的探针5内的针头13与压缩弹簧14配合，将针头13向上顶，针头13还接头一个指柄按纽15，以便找到等电位点时按下按纽作记录，为便于记录，在上板3上铺设有橡胶板，上铺有记录纸张，并用所带的夹子夹紧，下层的板2放置有电极电场，本方案的电极电场设置有三种结构，第一种结构如图3及图4所示为长直同轴圆柱面电极，设置有一圆形薄壁金属圈16作为一个电极，圆形的中心有短园柱17作为另一电极，通过导线与各自的接线柱18相连，两接线柱分别与电源的“+”极或“-”极相连，本实施例的电源由静电场描绘专用电源供电，可输出0-20伏的稳恒直流电压。
电极电场的另一结构如图5及图6所示，为两个距离隔开的直圆柱体19和20，各自通过导体与电源相接，电极下垫有导电介质21。
电极的再一个结构如图7及图8所示，每一极中，两个T字形电极22形成一组，每一电极分别通过导线与电源相接，电极下垫有导电介质21。
需要明确的是三种电极结构做实验时分别安装，一次只能使用其中一种。作为电极的材料为紫铜，电极间的电介质21选用镀有I TO膜的导电玻璃。
为了提高找准电场中等电位点的效率，本方案还设计有一个电位判断装置，下探针上引出一根导线23与所述的装置相连，装置的线路图如图9所示，线路由三个电压比较器23，24，25及其它一些电子元件组成，比较器23，24的“+”“-”输入端通过电阻互连，基准电位VB与一个第一比较器23输入“+”端相连，基准电位VB由静电场描绘专用电源提供，探针电位VC与一个第一比较器24输入“+”端相连，一个第一比较器23的输出端连有红发光二极管26的负极作为红光指示灯，第二比较器24的输出端连有绿发光二极管27的负极作为绿指示灯，两个二极管的正极并联后与一个第三比较器25的“-”输入端相接，比较器25的输出端连接一个黄发光二极管28作为黄指示灯，其余为维持几个比较器工作的电路，此处不赘述。本实施例的三个电压比较器使用型号为LM339的四位电压比较器代替。将本装置装入图8所示机箱中，使用时探针电位VC＜基准电位VB时绿灯亮，VC＞VB时红灯亮，VC＝VB时黄灯亮。该指示方式便于快速搜索到电场中的等电位点。实验者需要在仪器上设定基准电位，如0-10伏中任一电位，面板上的数码管显示出读数，而探针电位VC由接在探针上的导线23提供，导线23接入仪器内。
使用本装置时，在双层结构的上层板3铺好橡胶垫板和记录纸，在下层板2上的电介质板上安放好电极，每次电极选用上述三种之中的一种，打开机箱，设置静电场，并在仪器中用旋钮选择基准电压，此时移动下探针，通过观察红、绿、黄指示灯的状态，移动到黄灯亮时，说明找到等电位点，此时按下上板3所设置电极的指柄按钮15，针头13按下，针尖在纸上刺一个印点，松开按钮15，针头回复到原来的状态，然后继续移动下探针，同样通过红、黄、绿指示灯的提示找到等电位点，所述的多个等电位点的连线就是需要找的等电位线，设置不同的基准电压，就可以得到不同的等电位线。有了等电位线就可描绘出相应电场的电场线，其电场的分布就一目了然了。
本装置克服了公知技术的电场描绘仪的缺点，移动探针找点方便快捷，用镀有ITO膜的导电玻璃作导电介质耐磨，导电性好，尤其设有电位判断装置，等电位点判断准确，试验过程增加了趣味，作记录的装置快速准确，因而是一个值得推广的装置。
Claims (8)
1.一种静电场描绘仪，其特征在于：所述的静电场描绘仪为双层结构，下层板为底座用来安放电极电场，上层板用来放置记录纸，每一层设置一个移动探针，两探针的臂均与一个探针同步装置相连，所述探针还与一个电位判断装置相连。
2.根据权利要求1所述的一种静电场描绘仪，其特征在于：所述的同步装置包括两个拉开距离连接的铰链(6)、(7)，一个铰链(6)的铰链孔配合的轴销(9)固定在下层板(2)上，另一铰链(7)的铰链孔配合的轴销(10)的上下端分别与上下探针臂相连。
3.根据权利要求1所述的一种静电场描绘仪，其特征在于：下层设有与下探针配合的电极电场，上层设有与上探针配合的记录装置。
4.根据权利要求3所述的一种静电场描绘仪，其特征在于：为长直同轴圆柱面电极，设置有一圆形薄壁圈(16)作为一个电极，圆形的中心有短柱(17)作为另一电极，通过导线与各自的接线柱(18)相连。
5.根据权利要求3所述的一种静电场描绘仪，其特征在于：所述的电极为两个距离隔开的直圆柱体(19)和(20)，各自通过导体与电源相接，电极下垫有导电介质(21)。
6.根据权利要求3所述的一种静电场描绘仪，其特征在于：所述的电极为两个聚焦电极(22)形成一组，每一电极分别通过导线与电源相接，电极下垫有导电介质(21)。
7.根据权利要求4或5或6所述的一种静电场描绘仪，其特征在于：作为电极的材料为紫铜，电极间的电介质(21)选用镀有I TO膜的导电玻璃。
8.根据权利要求1所述的一种静电场描绘仪，其特征在于：电位判断装置线路由三个电压比较器(23)、(24)、(25)及其它一些电子元件组成，比较器(23)、(24)的“+”“-”输入端通过电阻互连，基准电位VB与一个第一比较器(23)输入“+”端相连，探针电位VC与一个第一比较器(24)输入“+”端相连，一个第一比较器(23)的输出端连有红发光二极管(26)的负极作为红光指示灯，第二比较器(24)的输出端连有绿发光二极管(27)的负极作为绿指示灯，两个二极管的正极并联后与一个第三比较器(25)的“-”输入端相接，比较器(25)的输出端连接一个黄发光二极管(28)作为黄指示灯，其余为维持几个比较器工作的电路。
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