CN204010451U - 一种锥形体表面电荷分布演示仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种锥形体表面电荷分布演示仪,包括高压静电电源、锥形体、塑料薄片以及支柱;其中,所述高压静电电源包括电源外壳,电源开关,通电指示灯、接线柱以及12倍压电路板,所述电源开关、所述接线柱设置在所述电源外壳上,所述通电指示灯、所述36倍压电路板安装在所述电源外壳的内部;所述高压静电电源通过支柱与所述锥形体电连接;所述塑料薄片安装在所述锥形体上。本实用新型的一种锥形体表面电荷分布演示仪采用倍压整流原理,研制成功一种电路简单、使用安全、操作方便、性能稳定可靠、价格又很便宜的直流高压静电电源,演示直观,有助于学习理解导体表面电荷的分布。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种教具,尤其是涉及一种锥形体表面电荷分布演示仪。
背景技术
在中学教学中,要做静电实验离不开高压直流电源,组合式静电演示仪的核心部件就是高压静电电源。在通常情况下一台高压电源的输入信号来自220V的交流市电,经整流滤波后与PWM脉冲调制器(专用集成电路芯片)的输出信号一起驱动高频变压器,通过高频变压器得到的高压电源再经整流滤波后,输出直流高压。输出反馈信号经光电隔离后反馈给脉冲调制器,通过与脉冲调制器中误差放大器的基准电压比较,控制脉冲调制器的输出占空比,以调节输出电压大小。这样的高压电源其结构比较复杂,价格当然也不便宜。如果用感应起电机也可满足演示实验需要的电压,但感应起电机易受天气影响,当天气比较潮湿时不易起电,另外感应起电机体积比较大,使用时还须用人工摇动,使用可靠性、稳定性也不太高。
导体处在电场中,就会发生静电感应现象。静电平衡后,净电荷只能分布在导体的表面,这是通过理论分析可以论证的。然而,在中学没有仪器去直接演示这一现象,也没有仪器去探究净电荷在导体表面分布与哪些因素有关。因此,“锥形体表面电荷分布演示仪”。它可以直观展示静电平衡后,净电荷只分布在导体表面的情况、演示导体表面净电荷分布与其曲率的关系,还可以演示导体为等势体。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种锥形体表面电荷分布演示仪,使其具有结构简单,制造方便、使用安全、稳定可靠的优点。
为解决上述技术问题,本实用新型提供的一种锥形体表面电荷分布演示仪,包括高压静电电源、锥形体、塑料薄片以及支柱;
其中,所述高压静电电源包括电源外壳,电源开关,通电指示灯、接线柱以及12倍压电路板,所述电源开关、所述接线柱设置在所述电源外壳上,所述通电指示灯、36倍压电路板安装在所述电源外壳的内部;
所述高压静电电源通过支柱与所述锥形体电连接;
所述塑料薄片安装在所述锥形体上。
所述36倍压电路板由三块12倍压电路板串联而成。
所述锥形体由一个易拉罐与另一个易拉罐做成的椎体底部焊接而成。
所述塑料薄片为的宽0.4cm、长为3cm,所述塑料薄片固定在所述锥形体的尖端、中部、底部及内部。
两段所述塑料薄片之间连接有细棉线,该细棉线的两端与塑料薄片的边缘接触连接。
所述支柱采用笔杆,所述笔杆的尖端安装有香蕉接头,所述笔杆底部安装有螺丝,所述笔杆内部设置有导线,所述导线将螺丝和香蕉接头连接。
所述螺丝与所述接线柱电连接。
所述电源外壳采用有机玻璃制成的盒子。
本实用新型的一种锥形体表面电荷分布演示仪采用倍压整流原理,研制成功一种电路简单、使用安全、操作方便、性能稳定可靠、价格又很便宜的直流高压静电电源,演示直观,有助于学习理解导体表面电荷的分布。
附图说明
以上所述是对本实用新型技术方案的概述,为进一步解释本实用新型,以下结合附图与实施方式对本实用新型做进一步的详细说明。
图1本实用新型半波整流合成电路原理图。
图2本实用新型二倍压整流合成电路原理图。
图3本实用新型多倍压整流合成电路原理图。
图4本实用新型锥形体表面电荷分布演示仪的结构示意图。
具体实施方式
请配合参阅图1所示,半波整流合成电路原理,这是两个半波整流电路的组合,D1、C1是一组,D2、C2是另一组,共用一个交流输入电源。在交流电正半周时电源通过整流二极管D1对电容C1充电;负半周时电源通过C2,D2充电,根据交流有效值和瞬时值之间的关系,每个电容器上所充得的最大电压都是所以负载RL上获得的电压是半波整流器电压的2倍。
请配合参阅图2所示,如为二倍压整流合成电路,D1、C1构成半波整流器,U2的最大值为在交流电正半周,C1上也充电到在负半周,D1截止,U2却和C1上充好的电压方向相同,电容电压和电源电压加起来通过D2给C2充电,C2上的电压就能充到
请配合参阅图3所示,多倍压整流,推广图2中电路的原理,每增加一组整流管和一个电容,可以将整流输出电压提高理论上可以提高到 的任何整数倍,但高倍数的倍压整流稳定性不好,故一般情况下很少使用。根据以上原理我们设计并制作了将交流U2=530伏,36倍压后输出约27千伏的高压直流电源。根据Q=CU可算出每个电容器可带的最大电量,若电容C=0.047μF,每级倍压电压2U2=749V时,电容可带最大电量Q=3.5×10-5C,由于需经36次充电方能达到最大电压,因此其充电电流强度平均 值I=Q/t=3.5×10-5C/(0.02×36)=4.8×10-5A。所以这样的电荷量和电流强度是比较安全的。即使不慎碰触高压被电击也不会对人造成伤害。这个高压直流电源和一些配件构成组合式静电演示仪,可以演示静电摆球、静电跳球、电风轮、静电滚筒、尖端放电及避雷针等实验,经实验检验效果不错。
高压静电电源的组成,包括电源外壳1、电源开关4、通电指示灯3、接线柱5以及12倍压电路板。将三块12倍压电路板2元件分别焊接上,再将其用导线串联,即可构成36倍压电路板。电源外壳1制作:制作一个长宽高分别为20、15、5cm的盒子。发明人用有机玻璃来制作的盒子。制作时,可以先用二氯乙烷粘合接口,再用螺丝加固。在盒子的正前面钻两个孔,可以安放发光二极管(指示灯)3和开关4。在盒子上表面的两个角上钻孔,装上接线柱5。仪器组装:把三块电路板2平行固定在盒子底面上,中间用隔板挡开;把变压器输出端与电路板输入端焊接好;接上发光二极(指示灯)管3;在变压器输入端接上开关4和电源插头;用导线将电路板输出端与对角的接线柱相接;最后把盒子密封(为了防止漏电,可以在电路板之间滴入石蜡密封)。这样,高压静电电源就做好了。
请配合参阅图4所示,锥形体表面电荷分布演示仪器组成高压静电电源、锥形体8、塑料薄片7以及支柱6。其中,锥形体8的制作:锥形体8用两个废旧的易拉罐做成。在一个易拉罐底部开一个半径为1cm的孔。把另一个易拉罐的两底去掉,把侧面展开成长方形。
以5cm为半径做半圆,剪下半圆后将其卷曲成锥面,调整锥面底部的大小,使得其底部刚好扣在第一个易拉罐顶部。然后将锥面的结合处用焊锡焊接好(焊接时,需要将易拉罐油漆表面打磨干净,还要使用焊锡膏),锥面底部不需要和另一个易拉罐焊接。这样,锥形体就做好了。塑料薄片的制作:用塑料薄片充当验电器箔片。将塑料薄片剪成宽为0.4cm、长为3cm的小段。把两段塑料薄片平行放好,中间间隔0.5cm,再在之间搭上两条0.8cm长的细棉线(图中未示出),细棉线要尽量沿着塑料薄片7边缘。用透明胶布将细 棉线和薄片7固定,再把它粘到锥形体的尖端、中部、底部及内部。两段塑料7薄片自然下垂时要相互平行,且彼此可独立在竖直平面内转动。支柱6的制作,采用笔杆来做支柱是非常方便的。在笔杆的底部装上一颗螺丝,用螺帽将笔杆和锥形体固定;在笔杆的尖端固定一个香蕉接头;再在笔杆内部焊接一段导线,连接螺丝和接线柱。
本实用新型锥形体表面电荷分布演示仪演示方法及步骤。
步骤一:将锥形体插入高压静电电源的输出端插孔内。
步骤二:开启高压静电电源开关,使导体带电,随即可以看到导体表面各处塑料薄片张角不同(导体表面带电后,使塑料薄片感应起电),如图4所示:尖端处张角最大;在底部平坦处张角很小。由于塑料薄片的长短宽窄都相同,因此张角的大小表明塑料薄片所带电量的多少,也就表明该处电荷密度的大小。这就探索到导体表面电荷分布与其曲率的关系:曲率较小的地方,张角较小,电荷密度就小;曲率较大的地方,张角较大,电荷密度就大。另外,在导体内部,张角为0,说明静电平衡后电荷只分布在导体表面。
步骤三:演示导体表面为等位面。将绝缘柄的金属小球用软导线与接地的验电器相连,当金属小球在带电导体各处移动时观察到验电器箔片的张角不变。验电器箔片张角的大小表明箔片与验电器电位差的大小,而箔片与带电导体同电位,因此金属球在带电导体表面移动时,验电器箔片的张角不变,也就表明导体表面各处电位相等,即整个导体表面为等势面。
步骤四:演示完毕后,闭高压电源,最后用软导线将演示球与电源负极接触使它放电完毕,取出演示装置。
以上所述,仅是本实用新型的较佳实施例而已,并非对本实用新型作任何形式上的限制,本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰,均落在本实用新型的保护范围内。
Claims (8)
1.一种锥形体表面电荷分布演示仪,其特征在于包括高压静电电源、锥形体、塑料薄片以及支柱;
其中,所述高压静电电源包括电源外壳,电源开关,通电指示灯、接线柱以及12倍压电路板,所述电源开关、所述接线柱设置在所述电源外壳上,所述通电指示灯、36倍压电路板安装在所述电源外壳的内部;
所述高压静电电源通过支柱与所述锥形体电连接;
所述塑料薄片安装在所述锥形体上。
2.根据权利要求1所述的锥形体表面电荷分布演示仪,其特征在于,
所述36倍压电路板由三块12倍压电路板串联而成。
3.根据权利要求1所述的锥形体表面电荷分布演示仪,其特征在于,
所述锥形体由一个易拉罐与另一个易拉罐做成的椎体底部焊接而成。
4.根据权利要求3所述的锥形体表面电荷分布演示仪,其特征在于,
所述塑料薄片为的宽0.4cm、长为3cm,所述塑料薄片固定在所述锥形体的尖端、中部、底部及内部。
5.根据权利要求4所述的锥形体表面电荷分布演示仪,其特征在于,
两段所述塑料薄片之间连接有细棉线,该细棉线的两端与塑料薄片的边缘接触连接。
6.根据权利要求1所述的锥形体表面电荷分布演示仪,其特征在于,
所述支柱采用笔杆,所述笔杆的尖端安装有香蕉接头,所述笔杆底部安装有螺丝,所述笔杆内部设置有导线,所述导线将螺丝和香蕉接头连接。
7.根据权利要求6所述的锥形体表面电荷分布演示仪,其特征在于,
所述螺丝与所述接线柱电连接。
8.根据权利要求1所述的锥形体表面电荷分布演示仪,其特征在于,
所述电源外壳采用有机玻璃制成的盒子。
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