CN210271431U - 一种均匀半空间平面电场分布特征实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种均匀半空间平面电场分布特征实验装置，属于电场实验技术领域，解决了现有技术对于趋肤效应的实验演示并不完整，并且缺少具体实验对等势面进行解释说明的问题，既能绘制出等势面，让使用者加深对等势面原理的理解，又可以比较准确测量趋肤效应的电流分布情况，让使用者清楚当在均匀半空间介质中供交流电的时候趋肤效应的具体状态。

Description

一种均匀半空间平面电场分布特征实验装置

技术领域

本实用新型属于电场实验技术领域，具体涉及一种均匀半空间平面电场分布特征实验装置的设计。

背景技术

现阶段在传授等势面方面的知识时，都是采用文字的形式利用电势、等势面、场强等基本概念来扩展，并进行相关计算，并未有具体实验来解释说明，我们只能通过枯燥乏味的文字来进行了解。

当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小，结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应。

现有关于趋肤效应的实验装置如图1和图2所示，其包括两支在底部中央打有小孔的圆形铁筒，外半径为6cm，内半径为5cm；两根与铁筒高度相同且横截面较小的铁质圆杆，可固定在铁筒内底部；绝缘固定支架，用于固定铁筒及铁杆；3个完全相同的小电珠；干电池。根据该实验装置进行趋肤效应的实验方法为：

(1)实验演示前首先将插头1和插头2接于干电池两端，可见3个小电珠亮度基本相同，由于3个小电珠相当于通过铁筒和铁杆并联在插头1和插头2两点，这一现象不难理解。

(2)实验演示开始时，插头1和插头2两端接于交流电源，A灯暗，B灯和C灯稍亮，即发生了比较明显的趋肤效应现象。

现有的趋肤效应实验装置具有以下不足之处：

(1)没有表现出趋肤效应会因为交流电频率的升高而加剧，仅仅对比了直流状态与某种特定频率的交流电供电状态下灯的亮度的差异，没有涉及到趋肤效应所提到的随着交流频率的升高，电流分布会愈加趋向于导体表面。

(2)现有的趋肤效应实验装置中，铁杆和铁桶之间是绝缘的，实际上是一种非常特定的导体的状态，没有演示出在一块整体性的导体中的电流分布状态。严格来讲，与趋肤效应的前提条件(应该采用一段相互连通的导体)并不相符。

因此，现有的趋肤效应实验装置对于趋肤效应的演示并不准确。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术对于趋肤效应的实验演示并不完整，并且缺少具体实验对等势面进行解释说明的问题，提出了一种均匀半空间平面电场分布特征实验装置，既能绘制出等势面，又可以比较准确测量趋肤效应的电流分布情况，让使用者既可以加深对等势面原理的理解，又可以清楚当在均匀半空间介质中供交流电的时候趋肤效应的具体状态。

本实用新型的技术方案为：一种均匀半空间平面电场分布特征实验装置，包括实验板、第一电源、第一铜电极、第二铜电极、电磁铁、第二电源、万用表、第一电笔和第二电笔；实验板为长方体结构，第一铜电极和第二铜电极均从实验板的顶面插入实验板中，第一电源的正、负两级分别与第一铜电极和第二铜电极连接；电磁铁至少为两块，每块电磁铁均包括两根线脚，第二电源的正、负两级分别与每块电磁铁的两根线脚连接，两块电磁铁分别贴合设置于实验板的正面和背面，且两块电磁铁与实验板贴合的一面极性相反；万用表通过与其连接的第一电笔和第二电笔直接接触实验板的正面，用于测量第一电笔和第二电笔之间的电压。

本实用新型的有益效果为：本实用新型提供的均匀半空间平面电场分布特征实验装置既能绘制出等势面，让使用者加深对等势面原理的理解，又可以比较准确测量趋肤效应的电流分布情况，让使用者清楚当在均匀半空间介质中供交流电的时候趋肤效应的具体状态。

优选地，实验板包括铜制板体，铜制板体的两个侧面均包裹有绝缘胶皮，铜制板体的正面和背面均绘制有单位为mm的刻度线，铜制板体的顶面等间距地开有若干螺丝孔，第一铜电极和第二铜电极均插入螺丝孔中，并通过螺丝帽固定，铜制板体的底部设置有三角形的塑料支架。

上述优选方案的有益效果为：实验板的侧面包裹绝缘胶皮，防止使用者在实验时触电，增强了均匀半空间平面电场分布特征实验装置的安全性；实验板表面绘制有刻度线，便于实验时准确确定测试点；实验板顶面开有的螺丝孔用于放置第一铜电极和第二铜电极，其底部设置的三角形塑料支架起到支撑铜制板体并将铜制板体和大地等其他物体隔离开的作用。

优选地，铜制板体的长度为1m，高度为0.5m，厚度为1cm，螺丝孔有39个，两个相邻螺丝孔之间的间隔为5cm，螺丝孔的深度为0.5cm，直径为0.3cm。

上述优选方案的有益效果为：通过对实验板中各尺寸参数的具体设置，使得实验板能够有效起到模拟均匀半空间介质的作用。

优选地，第一电源包括直流电源和交流电源，直流电源的输出电压范围为0-30V，输出电流范围为0-3A；交流电源的输出电压范围为0-300V，输出频率范围为45Hz-500Hz。

上述优选方案的有益效果为：直流电源起到向实验板提供稳定的直流电的作用，从而为刻画电场等势线提供必要条件；交流电源可以起到向实验板提供不同频率的交流电的作用，为验证交流电场在不同频率下趋肤程度不同提供必要条件。

优选地，第一铜电极和第二铜电极均为直径为0.3cm，长度为1cm的圆柱体电极。

上述优选方案的有益效果为：铜电极的直径与螺丝孔直径相同，便于铜电极插入螺丝孔中并固定，铜电极的长度大于螺丝孔的深度，方便铜电极插入螺丝孔后露出部分连接至第一电源。

优选地，电磁铁的型号为ELE-P25/11。

上述优选方案的有益效果为：ELE-P25/11电磁铁的吸力达到5kg，当实验板正面和背面的电磁铁供电时二者会产生较强的吸力，将白纸固定在实验板上，便于绘制等势面，将电磁铁与开关相连，可随时关闭电磁铁，以方便在绘制完成后取下白纸。

优选地，第二电源为24V直流电源。

上述优选方案的有益效果为：第二电源用于为ELE-P25/11电磁铁提供适配电源。

优选地，万用表的电流测量精度为1mA，电压测量精度为1mV。

上述优选方案的有益效果为：万用表在测量等势面时主要使用直流电压档来刻画等势面，在测量趋肤效应时主要使用交流电压档，根据欧姆定律，当通过导体的电流升高且其电阻不变时，导体两端的电压是升高的。因此，可以通过固定两点之间的交流电压的变化来刻画趋肤效应造成的电流分布情况的变化。

附图说明

图1所示为现有的趋肤效应实验装置剖视图。

图2所示为现有的趋肤效应实验装置俯视图。

图3所示为本实用新型实施例提供的一种均匀半空间平面电场分布特征实验装置结构示意图。

图4所示为本实用新型实施例提供的实验板正视图。

图5所示为本实用新型实施例提供的实验板俯视图。

图6所示为本实用新型实施例提供的实验板侧视图。

附图标记说明：1—实验板、2—第一电源、3—第一铜电极、4—第二铜电极、5—电磁铁、6—第二电源、7—万用表、8—第一电笔、9—第二电笔；

11—铜制板体、12—绝缘胶皮、13—刻度线、14—螺丝孔、15—塑料支架。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步的说明。

在描述本实用新型的具体实施例之前，首先对本实用新型中的一些名词进行定义，旨在使本实用新型的技术方案更加清楚。

(1)电势：处于电场中某个位置的单位电荷所具有的电势能。

(2)等势线：电势相等点的连线。

(3)均匀介质：在参考限度内(一般要达到分子水平)，考察对象的内部各处具有相同的性质的介质。

(4)各向同性：对于一种被测性质，在不同的方向上有相同的结果(均匀介质可以是各向同性，也可以是各向异性)。

(5)均匀各向同性半空间电场：电阻率是将直流电通过导线及接地电极送入地下，在地下就建立起了人工电场，如果被电场控制范围内的岩石具有相同的电阻率，并且电阻率的大小不随电流的方向而改变，则形成的电场为均匀各向同性介质中的电场或正常电场。又因地面以上的空气是不导电的，所以这种电场仅存在于地下，因此称它为均匀各向同性半空间电场。

(6)边界效应：实际油、气藏中，在生产井或注水井的附近往往存在着各种边界(如等势边界和不渗透边界)，这些边界的存在对渗流场的等势线分布、流线分布和井产量等都会产生影响，通常将这种影响称为边界效应。

(7)趋肤效应：在交流电路中随着电流变化的频率增加，导体横截面上的电流分布向导体表面集中，引起一种特殊的表面效应，称为趋肤效应。

本实用新型实施例提供了一种均匀半空间平面电场分布特征实验装置，如图3所示，包括实验板1、第一电源2、第一铜电极3、第二铜电极4、电磁铁5、第二电源6、万用表7、第一电笔8和第二电笔9。

实验板1为长方体结构，第一铜电极3和第二铜电极4均从实验板1的顶面插入实验板1中，第一电源2的正、负两级分别与第一铜电极3和第二铜电极4连接。

电磁铁5至少为两块，每块电磁铁均包括两根线脚，第二电源6的正、负两级分别与每块电磁铁5的两根线脚连接，两块电磁铁5分别贴合设置于实验板1的正面和背面，且两块电磁铁5与实验板1贴合的一面极性相反。例如实验板1正面的电磁铁5为N极与实验板1接触，则实验板1的背面应使用电磁铁5的S极与实验板1接触，从而保证通电时两者互相吸引。在实验板1上铺设好白纸时通过电磁铁5的吸力固定白纸，当第二电源6停止供电时电磁铁5失去磁性，可以轻松取下白纸。

万用表7通过与其连接的第一电笔8和第二电笔9直接接触实验板1的正面，用于测量第一电笔8和第二电笔9之间的电压。

如图4～图6所示，实验板1包括铜制板体11，铜制板体11的两个侧面均包裹有绝缘胶皮12，铜制板体11的正面和背面均绘制有单位为mm的刻度线13，铜制板体11的顶面等间距地开有若干螺丝孔14，第一铜电极3和第二铜电极4均插入螺丝孔14中，并通过螺丝帽固定。第一铜电极3和第二铜电极4可以在螺丝孔上插拔从而更换位置，通过这种方式使第一电源2的两极将电流供到实验板上1并在实验板1内传导。

铜制板体11的底部设置有三角形的塑料支架15，起到支撑铜制板体11并将铜制板体11和大地等其他物体隔离开的作用。

本实用新型实施例中，铜制板体11的长度为1m，高度为0.5m，厚度为1cm，螺丝孔14有39个，两个相邻螺丝孔14之间的间隔为5cm，螺丝孔14的深度为0.5cm，直径为0.3cm。通过对实验板1中各尺寸参数的具体设置，使得实验板1能够有效起到模拟均匀半空间介质的作用。

第一电源2包括直流电源和交流电源，其中直流电源的输出电压范围为0-30V，输出电流范围为0-3A，直流电源起到向实验板1提供稳定的直流电的作用，从而为刻画电场等势线提供必要条件。本实用新型实施例中，交流电源采用艾维泰科(IVYTECH)高精度可编程交流变频电源，其输出电压范围为0-300V，输出频率范围为45Hz-500Hz，交流电源可以起到向实验板1提供不同频率的交流电的作用，为验证交流电场在不同频率下趋肤程度不同提供必要条件。

本实用新型实施例中，第一铜电极3和第二铜电极4均为直径为0.3cm，长度为1cm的圆柱体电极。纯铜的电阻率为1.75×10^-8(Ω·m)，电阻率值较小，供电电极低，避免产生误差。第一铜电极3和第二铜电极4按一定规律放在实验板1上(从最中间向外放置)。调节第一铜电极3和第二铜电极4插入螺丝孔14的位置，可以起到观测不同电极距离情况下的电场等势线分布状态的改变情况。

电磁铁5的作用是绘制等势线时将白纸固定在实验板1上。当实验板1前后的电磁铁5供电的时候二者会产生较强的吸力将白纸固定在实验板1上。将电磁铁5与开关相连，可随时关闭电磁铁5，以方便在绘制完成后取下白纸。本实用新型实施例中，电磁铁5的型号为ELE-P25/11，能够产生5kg的吸力，第二电源6为与ELE-P25/11型号的电磁铁5适配的24V直流电源。

万用表7的电流测量精度为1mA，电压测量精度为1mV。在测量等势面时主要使用万用表7的直流电压档来刻画等势面。在测量趋肤效应时主要使用万用表7的交流电压档，根据欧姆定律，当通过导体的电流升高且其电阻不变时，导体两端的电压是升高的。因此，可以通过固定两点之间的交流电压的变化来刻画趋肤效应造成的电流分布情况的变化。

采用本实用新型提供的均匀半空间平面电场分布特征实验装置进行等势面绘制实验的具体方法如下：

(1)将第一铜电极3和第二铜电极4分别利用导线连接至直流电源的正负两级。

(2)将第一铜电极3和第二铜电极4分别插入铜制板体11顶面的第19个和第21个螺丝孔14中，并通过螺丝帽固定。

(3)打开直流电源开关，采用万用表7的0.5V电压档进行测量，待直流电源输出电压稳定后，从万用表7的电流表接线柱引出两个电笔，在实验板1上进行测量。

(4)根据电流表指针偏转情况寻找等势点，并将等势点绘制在实验板1上。

(5)采用电磁铁5将白纸固定在实验板1上，将实验板1上绘制的等势点投射在白纸上，并通过连接等势点分别绘制出电势为0.1V、0.2V、0.3V、0.4V和0.5V的五条等势线(采用量程的十分之一绘制等势线)。

(6)将第一铜电极3和第二铜电极4的位置置换，重复步骤S13～S15，比较两次绘制得到的等势线。

通过比较可以看出等势线并无变化，由此说明电极正负的变化并不影响电势值，即不影响等势线的分布。

(7)将直流电源的输出电压设置为1V，采用与步骤S13～S15相同的方法分别绘制出电势为0.2V、0.4V、0.6V、0.8V和1V的五条等势线。

(8)按照0.5V的增加量依次增加直流电源的输出电压，采用与步骤S13～S15相同的方法分别绘制出每组五条等势线，根据所有等势线完成等势面的绘制。

在随电压变化到数值较大时，电势的变化会相对较大，这是由于电压的增大导致大量热量的产生，热量发散不出去，影响电阻率的值从而导致电势的变化。

(9)将第一铜电极3和第二铜电极4分别移动至外侧相邻的螺丝孔14中，并采用与步骤S13～S18相同的方法绘制出对应电极位置的等势面，依次将第一铜电极3和第二铜电极4向外移动，直到移动至第1个和第39个螺丝孔14并绘制出对应电极位置的等势面，完成等势面绘制实验。

观察等势面的变化，可以发现等势线弯曲方向有很大的变化，这是由边界效应影响的。将绘制在白纸上的等势面拍照，再进行等比例的缩小打印出来，就可以使用了。

采用本实用新型提供的均匀半空间平面电场分布特征实验装置进行趋肤效应实验的具体方法如下：

(1)将第一铜电极3和第二铜电极4分别利用导线连接至交流电源的正负两级。

(2)将第一铜电极3和第二铜电极4分别插入铜制板体11顶面的第1个和第39个螺丝孔14中，并通过螺丝帽固定。

(3)打开交流电源开关，并将输出电压设置为0.5V，频率为45Hz，待交流电源的输出电流稳定后，从万用表7的交流电压档接线柱引出两个电笔与实验板1相接触。

(4)保持两个电笔之间的间距为20cm，沿实验板1中线(即第20个螺丝孔14向下的垂线方向)水平向下移动，每次移动间隔10cm，记录每个测试点的电压数据。

(5)保持输出电压值为0.5V不变，依次改变输出电压频率为100Hz、200Hz和300Hz，重复步骤S24得到不同频率下每个测试点的电压数据，并根据不同频率下每个测试点的电压数据验证趋肤效应。

将不同频率下每个测试点的电压数据填入表1并进行整理，根据欧姆定律，当通过导体(实验板1)的电流升高且其电阻不变时，导体两端的电压是升高的。因此，可以通过固定两点之间的交流电压的变化来刻画趋肤效应造成的电流分布情况的变化。在实验板1的电阻保持不变的情况下，即可通过计算测定电压/电阻＝电流密度的方式来测量和验证趋肤效应。

表1

0cm

10cm

20cm

30cm

40cm

50cm

45Hz

100Hz

200Hz

300Hz

400Hz

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种均匀半空间平面电场分布特征实验装置，其特征在于，包括实验板(1)、第一电源(2)、第一铜电极(3)、第二铜电极(4)、电磁铁(5)、第二电源(6)、万用表(7)、第一电笔(8)和第二电笔(9)；

所述实验板(1)为长方体结构，所述第一铜电极(3)和第二铜电极(4)均从实验板(1)的顶面插入实验板(1)中，所述第一电源(2)的正、负两级分别与第一铜电极(3)和第二铜电极(4)连接；

所述电磁铁(5)至少为两块，每块电磁铁均包括两根线脚，所述第二电源(6)的正、负两级分别与每块电磁铁(5)的两根线脚连接，两块所述电磁铁(5)分别贴合设置于实验板(1)的正面和背面，且两块所述电磁铁(5)与实验板(1)贴合的一面极性相反；

所述万用表(7)通过与其连接的第一电笔(8)和第二电笔(9)直接接触实验板(1)的正面，用于测量第一电笔(8)和第二电笔(9)之间的电压。

2.根据权利要求1所述的均匀半空间平面电场分布特征实验装置，其特征在于，所述实验板(1)包括铜制板体(11)，所述铜制板体(11)的两个侧面均包裹有绝缘胶皮(12)，所述铜制板体(11)的正面和背面均绘制有单位为mm的刻度线(13)，所述铜制板体(11)的顶面等间距地开有若干螺丝孔(14)，所述第一铜电极(3)和第二铜电极(4)均插入螺丝孔(14)中，并通过螺丝帽固定，所述铜制板体(11)的底部设置有三角形的塑料支架(15)。

3.根据权利要求2所述的均匀半空间平面电场分布特征实验装置，其特征在于，所述铜制板体(11)的长度为1m，高度为0.5m，厚度为1cm，所述螺丝孔(14)有39个，两个相邻螺丝孔(14)之间的间隔为5cm，所述螺丝孔(14)的深度为0.5cm，直径为0.3cm。

4.根据权利要求1所述的均匀半空间平面电场分布特征实验装置，其特征在于，所述第一电源(2)包括直流电源和交流电源，所述直流电源的输出电压范围为0-30V，输出电流范围为0-3A；所述交流电源的输出电压范围为0-300V，输出频率范围为45Hz-500Hz。

5.根据权利要求1所述的均匀半空间平面电场分布特征实验装置，其特征在于，所述第一铜电极(3)和第二铜电极(4)均为直径为0.3cm，长度为1cm的圆柱体电极。

6.根据权利要求1所述的均匀半空间平面电场分布特征实验装置，其特征在于，所述电磁铁(5)的型号为ELE-P25/11。

7.根据权利要求1所述的均匀半空间平面电场分布特征实验装置，其特征在于，所述第二电源(6)为24V直流电源。

8.根据权利要求1所述的均匀半空间平面电场分布特征实验装置，其特征在于，所述万用表(7)的电流测量精度为1mA，电压测量精度为1mV。

Images