專利名稱：靜電場描繪儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種物理實(shí)驗(yàn)儀器，特別是一種靜電場描繪儀。
背景技術(shù)：
靜電場描繪儀是一種物理實(shí)驗(yàn)儀器，主要用于大專院校基礎(chǔ)物理學(xué)生實(shí)驗(yàn)用。(1) 供學(xué)生學(xué)習(xí)用模擬法描述和研究靜電場分布的概念和方法；(2)加深對電場強(qiáng)度和電勢概 念的理解；(3)學(xué)習(xí)用圖示法表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。描繪靜電場的實(shí)驗(yàn)裝置和方法很多，有電解槽 法、火花打點(diǎn)記錄法、復(fù)印法、等臂記錄法等。傳統(tǒng)的靜電場描繪儀大多采用類似恒立達(dá)公 司生產(chǎn)的等臂記錄法靜電場描繪儀，用等臂記錄法作實(shí)驗(yàn)，在其中又使用三種做法一種是 采用涂有石墨的導(dǎo)電紙作為電介質(zhì)，通過探針和定位針，實(shí)現(xiàn)定量記錄和數(shù)據(jù)分析；第二種 是用水來代替導(dǎo)電紙作電介質(zhì)，第三種是用導(dǎo)電微晶作電介質(zhì)，導(dǎo)電微晶和電極安放在儀 器下層。公知的靜電場描繪儀存在的主要不足1、用導(dǎo)電紙作電介質(zhì)存在的缺陷有(1)導(dǎo)電紙上導(dǎo)電薄層涂得不均勻，導(dǎo)電紙 電阻在各個(gè)方向均勻性較差，這樣電流場分布與被模擬靜電場分布不完全一樣，使得實(shí)驗(yàn) 準(zhǔn)確度、重復(fù)性較差；(2)電極與導(dǎo)電紙的接觸不均勻以及探針與導(dǎo)電紙的接觸因人，因次 數(shù)而異，使得接觸電阻不穩(wěn)定，影響描繪結(jié)果；(3)測量時(shí)，探針在導(dǎo)電紙上接觸移動(dòng)且重 復(fù)接觸，使得導(dǎo)電紙破損，這樣一方面直接影響導(dǎo)電紙的導(dǎo)電性能，影響實(shí)驗(yàn)效果；另一方 面影響導(dǎo)電紙的使用壽命，頻繁更換導(dǎo)電紙，加大實(shí)驗(yàn)成本。2、用水來代替導(dǎo)電紙作電介質(zhì)存在的缺陷有(1)水是弱電解質(zhì)，在外加直流電 源的作用下，電解產(chǎn)生氫氣和氧氣，這些氣體以氣泡的形式附在電極表面，(2)每次實(shí)驗(yàn)都 要更換水槽中的水，且水槽中水的多少還影響模擬的效果，這樣給學(xué)生實(shí)驗(yàn)帶來極大的不 方便。3、用導(dǎo)電微晶作電介質(zhì)來代替導(dǎo)電紙作電介質(zhì)的缺點(diǎn)是導(dǎo)電微晶價(jià)格貴，且導(dǎo)電 微晶易損壞。4、公知儀器聯(lián)結(jié)上下兩探針的固定手柄座質(zhì)量很大，與實(shí)驗(yàn)臺(tái)的摩擦力很大，在 移動(dòng)描點(diǎn)時(shí)很難控制它的移動(dòng)方向。5、電場中的等電位點(diǎn)的觀測方面，傳統(tǒng)的靜電場描繪儀都采用數(shù)字電壓表，數(shù)字 萬用表或檢流計(jì)來尋找電場中的等電位點(diǎn)，在使用中發(fā)現(xiàn)用這種方法觀測等電位點(diǎn)時(shí)儀表 計(jì)數(shù)不穩(wěn)定，觀測難度大，使用不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一個(gè)能克服公知技術(shù)缺點(diǎn)，測量重復(fù)性好，描點(diǎn)方便，等電 位點(diǎn)的觀測簡單，記錄準(zhǔn)確的靜電場描繪儀。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案為所述的靜電場描繪儀為雙層結(jié)構(gòu)，下層板為底 座用來安放電極電場，上層板用來放置記錄紙，每一層設(shè)置一個(gè)移動(dòng)探針，兩探針的臂均與一個(gè)探針同步裝置相連，所述的下層探針還與一個(gè)電位判斷裝置相連。進(jìn)一步的方案包括，所述的同步裝置包括兩個(gè)拉開距離連接的鉸鏈，一個(gè)鉸鏈的 鉸鏈孔配合的軸銷固定在下層板上，另一鉸鏈的鉸鏈孔配合的軸銷的上下端分別與上下探 針臂相連。方案還包括，下層設(shè)有與下探針配合的電極電場，上層設(shè)有與上探針配合的記錄
直ο采用上述方案，探針在靜電場中移動(dòng)方便靈活，操作方便，定位精確，能夠很快地 找到同電位點(diǎn)，而且記錄該點(diǎn)位置方便準(zhǔn)確，從而實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的。下面結(jié)合圖示及實(shí)施例對方案作更詳細(xì)的說明。


圖1為靜電場描繪儀的主視圖2為圖1的俯視圖3為靜電場描繪儀長直同軸圓柱面電極正視圖4為圖3的俯視圖5為靜電場描繪儀兩平行長直圓柱體電極正視圖
圖6為圖5的俯視圖7為靜電場描繪儀聚焦電極正視圖8為圖7俯視圖9為靜電場描繪儀的電位判斷裝置線路圖10為圖9中電位判斷裝置的機(jī)箱面板。
具體實(shí)施例方式如圖1及圖2所示，本方案的靜電場描繪儀由四根向上直立的立柱1支持兩個(gè)平 行的板組成一雙層結(jié)構(gòu)，包括下板2和上板3，每一層設(shè)置一個(gè)移動(dòng)探針，與下板2配合為探 針4，與上板3配合為探針5，如方案所述，兩個(gè)探針的臂均與一個(gè)探針同步裝置相連，本實(shí) 施例的探針同步裝置包括有兩個(gè)距離隔開的鉸鏈6和鉸鏈7，兩個(gè)鉸鏈之間用鉸鏈固定板8 連接，其中一個(gè)鉸鏈6配合的軸銷9固定在下板2的邊緣，鉸鏈7的軸銷10的上下各與兩 個(gè)探針的臂固定連接，固定形式保證兩個(gè)探針的臂保持相對位置，最好是互相平行，使兩個(gè) 探針在移動(dòng)過程中同步，如探針4在下板移動(dòng)一個(gè)位置，則探針5在上板也移動(dòng)相應(yīng)位置。下板2的探針4的結(jié)構(gòu)包括在探針盒內(nèi)伸出的針頭11與一個(gè)壓縮彈簧12配合， 一直向下在軟彈簧的作用下保證其與導(dǎo)電介質(zhì)良好接觸，針頭11通過導(dǎo)線30與電位判斷 裝置中的Vc相連。上板3的探針5內(nèi)的針頭13與壓縮彈簧14配合，將針頭13向上頂，針 頭13還接頭一個(gè)指柄按紐15，以便找到等電位點(diǎn)時(shí)按下按紐作記錄，為便于記錄，在上板 3上鋪設(shè)有橡膠板，上鋪有記錄紙張，并用所帶的夾子夾緊，下層的板2放置有電極電場，本 方案的電極電場設(shè)置有三種結(jié)構(gòu)，第一種結(jié)構(gòu)如圖3及圖4所示為長直同軸圓柱面電極，設(shè) 置有一圓形薄壁金屬圈16作為一個(gè)電極，圓形的中心有短園柱17作為另一電極，通過導(dǎo)線 與各自的接線柱18相連，兩接線柱分別與電源的“ + ”極或“_”極相連，本實(shí)施例的電源由 靜電場描繪專用電源供電，可輸出0-20伏的穩(wěn)恒直流電壓。
電極電場的另一結(jié)構(gòu)如圖5及圖6所示，為兩個(gè)距離隔開的直圓柱體19和20，各 自通過導(dǎo)體與電源相接，電極下墊有導(dǎo)電介質(zhì)21。電極的再一個(gè)結(jié)構(gòu)如圖7及圖8所示，每一極中，兩個(gè)T字形電極22形成一組，每 一電極分別通過導(dǎo)線與電源相接，電極下墊有導(dǎo)電介質(zhì)21。需要明確的是三種電極結(jié)構(gòu)做實(shí)驗(yàn)時(shí)分別安裝，一次只能使用其中一種。作為電 極的材料為紫銅，電極間的電介質(zhì)21選用鍍有I TO膜的導(dǎo)電玻璃。為了提高找準(zhǔn)電場中等電位點(diǎn)的效率，本方案還設(shè)計(jì)有一個(gè)電位判斷裝置，下探 針上引出一根導(dǎo)線23與所述的裝置相連，裝置的線路圖如圖9所示，線路由三個(gè)電壓比較 器23，24，25及其它一些電子元件組成，比較器23，24的“ + ” “-”輸入端通過電阻互連，基 準(zhǔn)電位Vb與一個(gè)第一比較器23輸入“ + ”端相連，基準(zhǔn)電位Vb由靜電場描繪專用電源提供， 探針電位\與一個(gè)第一比較器24輸入“ + ”端相連，一個(gè)第一比較器23的輸出端連有紅發(fā) 光二極管26的負(fù)極作為紅光指示燈，第二比較器24的輸出端連有綠發(fā)光二極管27的負(fù)極 作為綠指示燈，兩個(gè)二極管的正極并聯(lián)后與一個(gè)第三比較器25的“_”輸入端相接，比較器 25的輸出端連接一個(gè)黃發(fā)光二極管28作為黃指示燈，其余為維持幾個(gè)比較器工作的電路， 此處不贅述。本實(shí)施例的三個(gè)電壓比較器使用型號(hào)為LM339的四位電壓比較器代替。將本 裝置裝入圖8所示機(jī)箱中，使用時(shí)探針電位V。<基準(zhǔn)電位Vb時(shí)綠燈亮，Vc > Vb時(shí)紅燈亮， Ve = Vb時(shí)黃燈亮。該指示方式便于快速搜索到電場中的等電位點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)者需要在儀器上 設(shè)定基準(zhǔn)電位，如0-10伏中任一電位，面板上的數(shù)碼管顯示出讀數(shù)，而探針電位V。由接在 探針上的導(dǎo)線23提供，導(dǎo)線23接入儀器內(nèi)。使用本裝置時(shí)，在雙層結(jié)構(gòu)的上層板3鋪好橡膠墊板和記錄紙，在下層板2上的電 介質(zhì)板上安放好電極，每次電極選用上述三種之中的一種，打開機(jī)箱，設(shè)置靜電場，并在儀 器中用旋鈕選擇基準(zhǔn)電壓，此時(shí)移動(dòng)下探針，通過觀察紅、綠、黃指示燈的狀態(tài)，移動(dòng)到黃燈 亮?xí)r，說明找到等電位點(diǎn)，此時(shí)按下上板3所設(shè)置電極的指柄按鈕15，針頭13按下，針尖在 紙上刺一個(gè)印點(diǎn)，松開按鈕15，針頭回復(fù)到原來的狀態(tài)，然后繼續(xù)移動(dòng)下探針，同樣通過紅、 黃、綠指示燈的提示找到等電位點(diǎn)，所述的多個(gè)等電位點(diǎn)的連線就是需要找的等電位線，設(shè) 置不同的基準(zhǔn)電壓，就可以得到不同的等電位線。有了等電位線就可描繪出相應(yīng)電場的電 場線，其電場的分布就一目了然了。本裝置克服了公知技術(shù)的電場描繪儀的缺點(diǎn)，移動(dòng)探針找點(diǎn)方便快捷，用鍍有ITO 膜的導(dǎo)電玻璃作導(dǎo)電介質(zhì)耐磨，導(dǎo)電性好，尤其設(shè)有電位判斷裝置，等電位點(diǎn)判斷準(zhǔn)確，試 驗(yàn)過程增加了趣味，作記錄的裝置快速準(zhǔn)確，因而是一個(gè)值得推廣的裝置。
權(quán)利要求
一種靜電場描繪儀，其特征在于所述的靜電場描繪儀為雙層結(jié)構(gòu)，下層板為底座用來安放電極電場，上層板用來放置記錄紙，每一層設(shè)置一個(gè)移動(dòng)探針，兩探針的臂均與一個(gè)探針同步裝置相連，所述探針還與一個(gè)電位判斷裝置相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜電場描繪儀，其特征在于所述的同步裝置包括兩個(gè) 拉開距離連接的鉸鏈(6)、(7)，一個(gè)鉸鏈(6)的鉸鏈孔配合的軸銷(9)固定在下層板(2) 上，另一鉸鏈(7)的鉸鏈孔配合的軸銷(10)的上下端分別與上下探針臂相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜電場描繪儀，其特征在于下層設(shè)有與下探針配合的 電極電場，上層設(shè)有與上探針配合的記錄裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種靜電場描繪儀，其特征在于為長直同軸圓柱面電極，設(shè) 置有一圓形薄壁圈(16)作為一個(gè)電極，圓形的中心有短柱(17)作為另一電極，通過導(dǎo)線與 各自的接線柱(18)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種靜電場描繪儀，其特征在于所述的電極為兩個(gè)距離隔 開的直圓柱體(19)和(20)，各自通過導(dǎo)體與電源相接，電極下墊有導(dǎo)電介質(zhì)(21)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種靜電場描繪儀，其特征在于所述的電極為兩個(gè)聚焦電 極(22)形成一組，每一電極分別通過導(dǎo)線與電源相接，電極下墊有導(dǎo)電介質(zhì)(21)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5或6所述的一種靜電場描繪儀，其特征在于作為電極的材料 為紫銅，電極間的電介質(zhì)(21)選用鍍有I TO膜的導(dǎo)電玻璃。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種靜電場描繪儀，其特征在于電位判斷裝置線路由三個(gè) 電壓比較器(23)、(24)、(25)及其它一些電子元件組成，比較器(23)、(24)的“ + ” “-”輸入 端通過電阻互連，基準(zhǔn)電位Vb與一個(gè)第一比較器(23)輸入“ + ”端相連，探針電位Vc與一個(gè) 第一比較器(24)輸入“ + ”端相連，一個(gè)第一比較器(23)的輸出端連有紅發(fā)光二極管(26) 的負(fù)極作為紅光指示燈，第二比較器(24)的輸出端連有綠發(fā)光二極管(27)的負(fù)極作為綠 指示燈，兩個(gè)二極管的正極并聯(lián)后與一個(gè)第三比較器(25)的“_”輸入端相接，比較器(25) 的輸出端連接一個(gè)黃發(fā)光二極管(28)作為黃指示燈，其余為維持幾個(gè)比較器工作的電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種靜電場描繪儀，所述的靜電場描繪儀為雙層結(jié)構(gòu)，下層板為底座用來安放電極電場，上層板用來放置記錄紙，每一層設(shè)置一個(gè)移動(dòng)探針，兩探針的臂均與一個(gè)探針同步裝置相連，所述探針還與一個(gè)電位判斷裝置相連，所述的電極間的電介質(zhì)由鍍有ITO膜的導(dǎo)電玻璃實(shí)現(xiàn)，本裝置克服了公知技術(shù)的電場描繪儀的缺點(diǎn)，移動(dòng)探針找點(diǎn)方便快捷，探針與電介質(zhì)接觸良好，尤其設(shè)有電位判斷裝置，等電位點(diǎn)判斷準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)過程增加了趣味，作記錄的裝置快速準(zhǔn)確。
文檔編號(hào)G09B23/18GK101937624SQ20091005987
公開日2011年1月5日 申請日期2009年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月29日
發(fā)明者代偉, 李寧, 肖順文 申請人:西華師范大學(xué)