JP2000089662A - 電子軌道模擬追跡装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電場中の電子の軌道を簡単な操作で追跡・予測
することのできる電子軌道模擬追跡装置を提供する。 【解決手段】伸び縮み自由なゴム膜１を複数のリング２
により固定する。リング２はそれぞれ棒３に取り付けら
れており、リング固定ねじにより所定の位置に固定され
る。ゴム膜１周縁の位置は、与えられた境界条件を満た
すように調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電場中の電子の軌
道を、重力場中の物体の運動によって模擬する装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】電子デバイスを設計する場合、電子の挙
動を予測することが重要になる。電子の挙動は、デバイ
スの機構によって異なり、量子力学的な効果を考慮しな
ければならない場合もあるが、真空中に電子を放出させ
るようなデバイスの場合、真空電場中の電子の運動につ
いては、ニュートンの運動方程式を解くことによって電
子の軌道を予測すれば充分であることが多い。この場合
の電子軌道の予測は、通常デジタルコンピュータを用い
た数値計算によって行われる。すなわち差分法、有限要
素法、境界要素法等によって境界条件に合うような電場
を求めた後、オイラー差分法、ルンゲクッタ法等によっ
て電子の軌道を求める。このような計算プログラムある
いは市販のソフトウェアを利用することもできる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、デジタ
ルコンピュータを用いた数値計算を行う場合、入力デー
タ作成や計算プログラム実行のために計算機の操作方法
に関する知識が要求されるので、設計現場において充分
に活用できなかったり、専任の担当者を置く必要がある
などの問題があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明によれば、伸び縮み自由な膜と、該膜を固定する膜固
定用部材と、該膜固定用部材の鉛直方向位置調整機構
と、該膜固定用部材の水平方向位置決め機構と、前記膜
の張力よりも小さい重力を受けて前記膜上を自由に転が
る球状物体とを備えたことを特徴とする電子軌道模擬追
跡装置が提供される。

【０００５】本発明の電子軌道模擬追跡装置において
は、膜固定用部材、鉛直方向位置調整機構および水平方
向位置決め機構により、上記膜に対して所定の境界条件
に対応した鉛直方向変位が与えられる。上記膜の各点に
おける鉛直方向変位は静電場と同じ方程式に従うため、
当該鉛直方向変位が電位を表すこととなる。したがっ
て、この膜上に球状物体を転がすことにより、静電場中
の電子の軌道を模擬することができるのである。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明において、膜固定用部材を
膜の周縁部に複数配置した形態とすることができる。こ
のようにすることによって、所定の境界条件を容易に、
かつ、精度良く再現することができる。

【０００７】また本発明において、固定用部材をリン
グとし、膜固定用部材の鉛直方向位置調整機構を、リ
ングを挿通する棒材およびリングを棒材の所定位置に固
定する固定ねじとし、前記膜固定用部材の水平方向位
置決め機構を、棒材を差し込むための穴部を備えた台と
することができる。図１は、このような構造の電子軌道
模擬追跡装置を示す。

【０００８】また本発明において、膜固定用部材を鞘
状の軸受けとし、膜固定用部材の鉛直方向位置調整機
構を、軸受けに一方の端が差し込まれた棒材および該棒
材の他方の端を固定するポストとし、膜固定用部材の
水平方向位置決め機構を、ポストを差し込むための穴部
を備えた台とすることができる。図３は、このような構
造の電子軌道模擬追跡装置を示す。

【０００９】

【実施例】（実施例１）図１は本実施例の電子軌道模擬
追跡装置の概略構造を示す図である。金属板５には複数
の穴があけられ、この穴に複数の棒３が直立した状態で
差し込まれている。各々の棒３にはそれぞれリング２が
取り付けられており、このリング２によってゴム膜１が
固定されている。

【００１０】リング２の構造を図２を参照して説明す
る。リング２は、図のように上下の２つの部分に分割し
ており、これらの間にゴム膜１を挟んで固定する。リン
グ２はリング固定ねじ４により固定される。

【００１１】ゴム膜１周縁の位置は、与えられた境界条
件を満たすように調整し、ゴム膜１の周縁部の位置が所
定の境界条件の電位を表すようにする。このとき、ゴム
膜１の周縁部以外の各点においては、その鉛直方向の位
置が電位の大きさに対応することとなり、所定の境界条
件を与えたときの静電場が実現される。これについて以
下、さらに説明する。

【００１２】ゴム膜１の任意の点（ｘ，ｙ）の、金属板
５からの高さ（鉛直方向の距離）をｈ（ｘ，ｙ）とする
と、ゴム膜の凹凸がなだらかで傾斜が緩い場合、

【００１３】

【数１】

【００１４】が成り立つ。これは、真空中の２次元静電
場Ｖ（ｘ，ｙ）が満たすべき方程式

【００１５】

【数２】

【００１６】と同形である。

【００１７】したがって、真空中の２次元静電場を求め
る場合、ゴム膜上に、考えている問題の境界条件と同じ
形になるようにリング２を取り付け、考えている問題に
おける電位に比例した高さにリングを固定すれば、各点
におけるゴム膜の高さから電位を知ることができる。

【００１８】ゴム膜上のプラスチック球の運動方程式
は、球の自重によってゴム膜が変形しないとし、傾斜が
充分緩いとすると、

【００１９】

【数３】

【００２０】となる。ここに、ｔは時間、ｇは重力加速
度であり、摩擦の影響は無視した。これは、２次元静電
場中の電子の運動方程式

【００２１】

【数４】

【００２２】と同じ形をしている。ここに、Ｖは電位、
ｅ、ｍはそれぞれ電子の電荷、質量を示す。

【００２３】ただし、右辺の符号の違いにより、電位の
向きと反対方向にゴム膜の高さを設定しておく必要があ
る。そうすれば、ゴム膜上に球を置いた後の運動は、２
次元静電場中の電子の軌道と同じになる。電子に初速を
与えたい場合は、与えたい運動エネルギーに応じた高さ
の樋状のガイドを使って転がしてやればよい。

【００２４】（実施例２）本実施例について、図面を参
照して説明する。図３は、本発明の電子軌道模擬追跡装
置を横から見た構造を示す図である。金属板５には複数
の穴があけられ、この穴に複数のポスト６が直立した状
態で差し込まれている。各々のポスト６には棒３’が差
し込まれ、この棒３’の他端は鞘状の軸受け７に差し込
まれている。鞘状の軸受け７は棒３を回すことによって
所望の高さに固定することができる。鞘状の軸受け７の
頂部はゴム膜１の周縁部と接着しているので、軸受け７
の位置を上下することによってゴム膜１の周縁部の高さ
を調整することができる。

【００２５】本実施例によれば、玉を転がす際、棒が邪
魔にならないという利点がある。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡単な操作で電場中の電子の軌道を追跡・予測すること
ができるという効果が得られる。さらに本発明によれ
ば、電子の運動を模擬する球の運動を目で確認すること
ができるので、物理現象の直観的理解を助けるという効
果がある。さらに、本発明の装置を玩具として用いれ
ば、学童の自然科学に対する興味を喚起し、若者の科学
・技術離れをくい止めるための一助となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子軌道模擬追跡装置の構造を示す図
である。

【図２】本発明の電子軌道模擬追跡装置の鉛直方向位置
調整機構を示す図である。

【図３】本発明の電子軌道模擬追跡装置の構造を示す図
である。

【図４】本発明の電子軌道模擬追跡装置の鉛直方向位置
調整機構を示す図である。

【符号の説明】

１ ゴム膜 ２ リング ３ 棒 ３’ 棒 ４ リング固定ねじ ５ 金属板 ６ ポスト ７ 軸受け

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 伸び縮み自由な膜と、該膜を固定する膜
   固定用部材と、該膜固定用部材の鉛直方向位置調整機構
   と、該膜固定用部材の水平方向位置決め機構と、前記膜
   の張力よりも小さい重力を受けて前記膜上を自由に転が
   る球状物体とを備えたことを特徴とする電子軌道模擬追
   跡装置。
2. 【請求項２】 前記膜固定用部材が前記膜の周縁部に複
   数配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電子軌
   道模擬追跡装置。
3. 【請求項３】 前記膜固定用部材はリングであり、前記
   膜固定用部材の鉛直方向位置調整機構は、該リングを挿
   通する棒材および該リングを該棒材の所定位置に固定す
   る固定ねじであり、前記膜固定用部材の水平方向位置決
   め機構は、前記棒材を差し込むための穴部を設けた台で
   あることを特徴とする請求項１または２に記載の電子軌
   道模擬追跡装置。
4. 【請求項４】 前記膜固定用部材は鞘状の軸受けであ
   り、前記膜固定用部材の鉛直方向位置調整機構は、該軸
   受けに一方の端が差し込まれた棒材および該棒材の他方
   の端を固定するポストであって、前記膜固定用部材の水
   平方向位置決め機構は、前記ポストを差し込むための穴
   部を設けた台であることを特徴とする請求項１または２
   に記載の電子軌道模擬追跡装置。