CN108427042A - 一种静电场测试仪及静电场测量方法和电荷守恒实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种静电场测试仪及静电场测量方法和电荷守恒实验方法，属于静电场测试领域，包括壳体，壳体内部设置有电路板，壳体上设置有与电路板连接的检测指示灯、灵敏度指示灯、响应时间指示灯、外接显示接口、外部接地接口、天线、计量表、极性选择开关Ⅰ、极性选择开关Ⅱ和模式开关；所述外接显示接口与外部显示设备连接；外部接地接口与外部接地端连接。本发明手持式静电场测试仪，采用基本电子元件制作电路，简单焊接组装，体积小巧轻便，器材成本低廉，作为电磁学实验测量仪器。依据静电感应现象，电场探头靠近带电体，探头积累电荷，电流表指针偏转，表征电场强度相对大小。
Description
技术领域
本发明涉及静电场测试实验装置领域，特别是涉及一种静电场测试仪 及静电场测量方法和电荷守恒实验方法。
背景技术
由于物品相互之间的摩擦、挤压、感应等使物体表面积存有不同性质 的电荷。当这些电荷各界达到一定程度时，就会产生静电吸附和放电现象。 静电荷的积聚和放电对工业生产会造成很大的影响和破坏。所以，需要检 测设备对这些静电荷电场进行检测。现有的静电检测装置，一般是直接安 装于设备上的，仅对特定的设备进行静电检测作业。
现有的静电测试设备，特别是对于高校的实验设备，都是比较缺少。 在工业上应用比较多，但是根据高校的学生和老师的需求，既要方便也要 安全等，从而使得学生能够更好的感知静电测试及静电存在，使得学生更 好的进行学习。
发明内容
本发明提供一种静电场测试仪及静电场测量方法和电荷守恒实验方 法，解决现有静电场不能直观感知，不能用设备检测等的问题。
本发明通过以下技术方案解决上述问题：
一种静电场测试仪，包括壳体，壳体内部设置有电路板，壳体上设置 有与电路板连接的检测指示灯、灵敏度指示灯、响应时间指示灯、外接显 示接口、外部接地接口、天线、计量表、极性选择开关Ⅰ、极性选择开关 Ⅱ和模式开关；所述外接显示接口与外部显示设备连接；外部接地接口与 外部接地端连接。
所述电路板包括天线、双掷双开关S2、双掷双开关S3、双掷开关S1、 电容C1、C2、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、和晶体管Q1、Q2、Q3；所述 天线的输出端与双掷双开关S2连接，所述双掷双开关S2与接地端连接；双 掷双开关S3一端经电容C1与接地端连接，双掷双开关S3另一端经电容C2与 接地端连接；所述双掷双开关S3与电阻R1和双掷双开关S2连接，所述电阻R1分别与电阻R2和晶体管Q1的基极连接；所述电阻R6与电阻R2连接；所述 晶体管Q1的集电极经电阻R4和电阻R2接地；所述晶体管Q1的发射极与晶体 管Q2基极连接；所述晶体管Q2发射极接地；所述晶体管Q2的集电极与晶体 管Q3基极连接；所述晶体管Q3发射极接地；所述晶体管Q3的集电极经双掷 开关S1与电源连接。
所述晶体管Q1和Q2为NPN晶体管，使用型号为PN2222A型晶体管，晶体 管Q3为PNP晶体管，使用型号为PN2907A型晶体管。
一种静电场测试仪的静电场测量方法，包括如下步骤，
步骤1：接通范氏起电机电源开关，拉伸测试仪天线(6)，由远到近 靠近起电机金属球壳，调整测试仪极性开关(8)、(9)，观察微安表(7) 指针变化情况；
步骤2：根据静电场理论，球状带电体的电势分布
由场强和电势的关系，电场强度分布
r0为球状带电体的半径，r为空间某点到球状带电体中心的距离，U0为带电体的电势；
步骤3：接通范氏起电机电源开关，起电机工作一段时间后，金属球 壳表面的电势U0达到稳定状态，手持测试仪，选择不同距离r，记录微安电 流表读数I，描绘实验曲线；
步骤4：根据实验曲线数据分析静电场的分布情况和规律。
一种静电场测试仪的电荷守恒实验方法，包括如下步骤，
步骤1：选择空心金属管(301)和摩擦材料(302)，将空心金属管(301) 表面彻底清洗并且干燥，通过绝缘材料固定在水平面；
步骤2：把摩擦材料(302)用绝缘丝线绑定，从金属管(301) 内部充分摩擦接触后穿越，使用静电场测试仪分别检测(301)和(302) 表面的电荷类型，完成实验。
本发明的优点与效果是：
本发明手持式静电场测试仪，采用基本电子元件制作电路，简单焊接 组装，体积小巧轻便，器材成本低廉，作为电磁学实验测量仪器。依据静 电感应现象，电场探头靠近带电体，探头积累电荷，电流表指针偏转，表 征电场强度相对大小。电路在PN2222A型晶体管和PN2907A型晶体管之间 切换，实现不同电荷极性检测。设计外接收缩式天线，具备良好防护和绝 缘。采用9伏电池供电，金属外壳封装探测电路，通过人体或者接地导线 产生静电屏蔽，在湿度小于60％环境保存和使用。利用静电场测试仪， 进行起电机电场测量、物体摩擦起电现象、金属网罩静电屏蔽实验、电荷 守恒实验，表明产品的科学性和实用性。
附图说明
图1是本发明仪器结构示意图；
图2是本发明电路板原理图；
图3是本发明范式起电机结构示意图；
图4是本发明球状导体电场分布图；
图5是本发明金属与物体摩擦起电图；
图6是本发明双金属管与物体摩擦起电图
图7是本发明金属聚四氟乙烯贴膜管与物体摩擦起电图。
图中标号：1检测指示灯、2灵敏度指示灯、3响应时间指示灯、4外 接显示接口、5外部接地接口、6天线、7计量表、8极性选择开关Ⅰ、9 极性选择开关Ⅱ、10模式开关、301空心金属管、302摩擦材料、303负 电荷、304正电荷、305空心金属管、306空心金属管外表面、307摩擦材 料、308负电荷、309正电荷、310金属管Ⅰ、311聚四氟乙烯、312摩擦物 体、313金属管Ⅱ。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
一种静电场测试仪，包括壳体，壳体内部设置有电路板。壳体上设置 有与电路板连接的检测指示灯1、灵敏度指示灯2、响应时间指示灯3、外 接显示接口4、外部接地接口5、天线6、计量表7、极性选择开关Ⅰ8、极 性选择开关Ⅱ9和模式开关10；所述外接显示接口4与外部显示设备连接； 外部接地接口5与外部接地端连接。
如图2所示，电路板包括天线、双掷双开关S2、双掷双开关S3、双掷 开关S1、电容C1、C2、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、和晶体管Q1、Q2、 Q3；所述天线的输出端与双掷双开关S2连接，所述双掷双开关S2与接地端 连接；双掷双开关S3一端经电容C1与接地端连接，双掷双开关S3另一端经 电容C2与接地端连接；所述双掷双开关S3与电阻R1和双掷双开关S2连接， 所述电阻R1分别与电阻R2和晶体管Q1的基极连接；所述电阻R6与电阻R2连 接；所述晶体管Q1的集电极经电阻R4和电阻R2接地；所述晶体管Q1的发射 极与晶体管Q2基极连接；所述晶体管Q2发射极接地；所述晶体管Q2的集电 极与晶体管Q3基极连接；所述晶体管Q3发射极接地；所述晶体管Q3的集电 极经双掷开关S1与电源连接。
为了实现静电场测试仪对于不同电荷极性的检测，本发明通过电路在 PN2222A型晶体管和PN2907A型晶体管之间切换来实现。以下为两种晶体管 规格与参数的详细说明。
(1)PN2222A型晶体管：
(2)、PN2907A型晶体管：
本发明静电场测试仪的电场传感探头采用外接收缩式天线，天线探头 具备良好的防护和绝缘设计。如果将电场探头放置在主机内部，主机电子 元器件对电场造成较大干扰，引起测量误差。本发明体积为16厘米×8厘 米×4厘米，采用9伏特电池供电，用金属外壳将探测电路封装，通过人体 或者接地导线产生静电屏蔽，外部电场不会影响金属盒内部的电场和电势 分布。使用本产品时将探头对准带电体，测量过程由远至近，避免电场过 强而损坏电路元件。空气湿度影响测量结果的准确度，仪器在湿度小于 60％的环境下保存和使用。
起电机的静电场测量
范德格拉夫起电机是电磁学实验常见的静电高压装置，金属球壳产生 很高的电压与电场。结构和原理如图3所示，高压直流电源通过放电针尖 端放电，把电荷转移给橡胶传送带，传送带把电荷传送到金属球内部，金 属球内部的集电针收集电荷，输送到金属球外表面上。根据工作条件和实 验目的不同，范氏起电机球壳表面能够积累大量正电荷或负电荷，可以作 为正离子加速电源，或者是高穿透性X射线发生器。
利用手持式静电场测试仪，可以快速确定金属球壳表面电荷类型。 操作方法：如图3所示，接通范氏起电机电源开关，拉伸测试仪天线6，由 远到近靠近起电机金属球壳，调整测试仪极性开关8、9，观察微安表7指 针变化情况。
在测试距离较远的情况下，可以把导体球壳看为一个点电荷。如图4 所示，根据静电场理论，球状带电体的电势分布
由场强和电势的关系，电场强度分布
r。为球状带电体的半径，r为空间某点到球状带电体中心的距离，U。 为带电体的电势。
操作方法：接通范氏起电机电源开关，起电机工作一段时间后， 金属球壳表面的电势U。达到稳定状态。手持测试仪，选择不同距离r，记 录微安电流表读数I，描绘实验曲线。
韦氏感应起电机能积累较多电荷，左右两个莱顿瓶集聚异种电荷，作 为电源的正负极。韦氏起电机放电球正、负极性的判断,由两个起电盘上 导电膜所带残余电荷的性质决定，其性质具有偶然性和不确定性。通常用 验电器判别放电球极性,将毛皮摩擦过的橡胶棒(或丝绸摩擦的玻璃棒) 与验电器顶端接触,使验电器张开,再用移电叉将放电球的电荷移至验电 器顶端,看验电器张角的变化，判别放电球极性。这种方法不但过程复杂， 由于电荷的流失，验电器张角的变化不明显，难以确定实验结果。采用本 发明的手持测试仪，能够快速、便捷地确定两个放电球的极性。当韦氏起 电机两个放电球之间产生火花放电，手持测试仪能够显示放电球周围电场 强度急剧减少；韦氏起电机两个放电球发生短路，测试仪显示放电球周围 电场强度为0。
电荷守恒实验
电荷守恒定律是物理学基本定律之一：电荷不能创造,也不能被消灭, 它们只能从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一部分转移到另一 部分,电荷代数和守恒。根据摩擦带电序列，保证周围空气干燥，选择较 远距离的两种物体，通过摩擦出现不同电荷，检验摩擦电荷的守恒情况。 要定量研究电荷守恒实验,实验结果精确度达l％以上，难点在于确保电荷 流失达到极小值。通常实验时摩擦物体暴露在空气中,由于物体面积过大, 周围存在强电场，电荷很快损失到空气中。
金属管与物体摩擦起电
操作说明：301为空心金属管，可选材料包括常见铜管、铝管、铁管 等。302为摩擦材料，可选材料包括尼龙、羊毛、丝绸、玻璃等。将空心 金属管301表面彻底清洗并且干燥，通过绝缘材料固定在水平面。摩擦材 料302用绝缘丝线绑定，从金属管301内部充分摩擦接触后穿越，分别检测 301和302表面的电荷类型。
理论分析与实验结果证实，301表面带负电荷303，302表面带有正电 荷304。由于摩擦材料302暴露在空气中，存在一定的电荷流失，难以定量 确定正、负电荷守恒。
双金属管与物体摩擦起电
操作说明：305和306为同种材质与规格大小的金属管，可选材料包括 常见铜管、铝管、铁管等，307为摩擦材料，可选材料包括尼龙、羊毛、 丝绸、玻璃等。
将空心金属管305和306表面彻底清洗并且干燥，通过绝缘材料固定在 水平面。摩擦材料307用绝缘丝线绑定，从金属管305内部充分摩擦接触， 穿越到达金属管306内部。理论分析与实验结果证实，金属管305表面带 负电荷308，金属管306表面带有正电荷309。原因在于金属管305与摩擦材 料307接触，金属管305表面带有负电荷，摩擦材料307表面带有正电荷。 当摩擦材料307穿越到达金属管306内部，金属管306的电子与摩擦材料307 表面的正电荷发生中和，相当于金属管306表面带有正电荷。用测试仪检 测金属管305和306表面的电荷极性与电场强度大小，结果证实电荷极性相 反，电场强度大小相等，符合电荷守恒定律。由于金属管305和306的间 隔距离很小，摩擦材料307运动过程中损失的电荷数量很小，可以保证实 验的准确度。以上实验为金属与其他物质摩擦带电的实验操作与结果分析。
金属聚四氟乙烯贴膜管与物体摩擦起电
操作说明：310和313为同种材质与规格大小的金属管，311为聚四氟 乙烯，312为摩擦物体，可选材料包括尼龙、羊毛、丝绸、兔毛等。把聚 四氟乙烯311膜层贴附在金属管310内部，聚四氟乙烯311与摩擦物体料312 接触。根据摩擦静电序列，聚四氟乙烯311带有负电荷，等效于金属管310 外表面带有负电荷。摩擦材料312表面带有正电荷，运动到金属管313内部 后，等效于金属管313外表面带有正电荷。用测试仪检测金属管310和313 表面电荷极性与电场强度大小，结果证实电荷极性相反，电场强度大小相 等，符合电荷守恒定律。由于金属管310和313的间隔距离很小，摩擦物 体312运动过程中损失的电荷数量很小，可以保证实验的准确度。以上实 验为两种不同物质摩擦带电的实验操作，金属管起到收集和吸附电荷的作 用。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限 于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可 作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请的 范围内。
Claims (5)
1.一种静电场测试仪，包括壳体，壳体内部设置有电路板，其特征在于，壳体上设置有与电路板连接的检测指示灯(1)、灵敏度指示灯(2)、响应时间指示灯(3)、外接显示接口(4)、外部接地接口(5)、天线(6)、计量表(7)、极性选择开关Ⅰ(8)、极性选择开关Ⅱ(9)和模式开关(10)；所述外接显示接口(4)与外部显示设备连接；外部接地接口(5)与外部接地端连接。
2.根据权利要求1所述的一种静电场测试仪，其特征在于：所述电路板包括天线、双掷双开关S2、双掷双开关S3、双掷开关S1、电容C1、C2、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、和晶体管Q1、Q2、Q3；所述天线的输出端与双掷双开关S2连接，所述双掷双开关S2与接地端连接；双掷双开关S3一端经电容C1与接地端连接，双掷双开关S3另一端经电容C2与接地端连接；所述双掷双开关S3与电阻R1和双掷双开关S2连接，所述电阻R1分别与电阻R2和晶体管Q1的基极连接；所述电阻R6与电阻R2连接；所述晶体管Q1的集电极经电阻R4和电阻R2接地；所述晶体管Q1的发射极与晶体管Q2基极连接；所述晶体管Q2发射极接地；所述晶体管Q2的集电极与晶体管Q3基极连接；所述晶体管Q3发射极接地；所述晶体管Q3的集电极经双掷开关S1与电源连接。
3.根据权利要求2所述的一种静电场测试仪，其特征在于：所述晶体管Q1和Q2为NPN晶体管，使用型号为PN2222A型晶体管，晶体管Q3为PNP晶体管，使用型号为PN2907A型晶体管。
4.基于权利要求1所述的一种静电场测试仪的静电场测量方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1：接通范氏起电机电源开关，拉伸测试仪天线(6)，由远到近靠近起电机金属球壳，调整测试仪极性开关(8)、(9)，观察微安表(7)指针变化情况；
步骤2：根据静电场理论，球状带电体的电势分布
由场强和电势的关系，电场强度分布
r0为球状带电体的半径，r为空间某点到球状带电体中心的距离，U0为带电体的电势；
步骤3：接通范氏起电机电源开关，起电机工作一段时间后，金属球壳表面的电势U0达到稳定状态，手持测试仪，选择不同距离r，记录微安电流表读数I，描绘实验曲线；
步骤4：根据实验曲线数据分析静电场的分布情况和规律。
5.根据权利要求1所述的一种静电场测试仪的电荷守恒实验方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤1：选择空心金属管(301)和摩擦材料(302)，将空心金属管(301)表面彻底清洗并且干燥，通过绝缘材料固定在水平面；
步骤2：把摩擦材料(302)用绝缘丝线绑定，从金属管(301)内部充分摩擦接触后穿越，使用静电场测试仪分别检测(301)和(302)表面的电荷类型，完成实验。
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