一种球板摩擦电力-电实时测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于物理实验技术领域，涉及一种球板摩擦电力-电实时测量装置及利用该装置进行的球板摩擦电测量方法。
【背景技术】
[0002]摩擦电一直被人们认为是一个经典的物理现象，发现已有近三千年历史，然而对于摩擦电发生的机理尤其是同种物质接触、摩擦后带电的机理尚不明确。事实上，摩擦电的研究涉及物理、化学以及力学等多领域，是一个多学科交叉课题。对于力学在摩擦电中所起到的作用一直是学者们关注的课题，然而因为缺乏实时的摩擦电力-电同时测量装置，所以无法很好地理解力在摩擦电中所起到的作用、以及力对揭示摩擦电机理的重要性。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种球板摩擦电力-电实时测量装置，该测量装置通过控制样品水平运动、垂向压力及环境温湿度等，来考察相对摩擦速度、摩擦距离、压力及温湿度等对摩擦电的影响。
[0004]本发明的另一目的在于提供一种利用上述装置进行的球板摩擦电力-电实时测量方法。
[0005]为此，本发明采用如下技术方案:
一种球板摩擦电力-电实时测量装置，包括:
样品支杆，所述样品支杆用于固定摩擦电测量用样品；
样品运动控制单元，所述样品运动控制单元与样品支杆相连接，用于控制样品支杆的水平运动和垂向运动；
摩擦电测量单元，所述摩擦电测量单元包括法拉第筒以及与法拉第筒电连接的静电计，所述法拉第筒内固定有水平设置的摩擦板；
压力测量单元，所述压力测量单元用于测量摩擦板受到的垂向压力；
屏蔽网罩，所述屏蔽网罩由金属网构成，且其覆罩于样品支杆、样品运动控制单元、法拉第筒以及压力测量单元外并接地;所述静电计位于屏蔽网罩外。
[0006]进一步地，所述样品运动控制单元包括:
第一垂向滑轨及第二垂向滑轨，所述第一垂向滑轨由相互滑动连接的第一定滑轨和第一动滑轨构成，所述第二垂向滑轨由相互滑动连接的第二定滑轨和第二动滑轨构成，所述第一定滑轨和第二定滑轨固定不动；
丝杠支架，所述丝杠支架水平设置且其两端分别与第一动滑轨和第二动滑轨的上部固定连接；
丝杠，所述丝杠水平设置且其两端通过轴承安装于丝杠支架的两端；
丝杠电机，所述丝杠电机与丝杠的一端相连接，用于提供丝杠转动的动力；
水平位移块，所述水平位移块与丝杠螺纹连接并能沿丝杠水平移动，所述样品支杆与水平位移块固定连接；
推动装置，所述推动装置与第一动滑轨和第二动滑轨相连接，能够推动第一动滑轨和第二动滑轨作上下垂向运动。
[0007]进一步地，所述压力测量单元由电子称构成，所述法拉第筒放置于所述电子称上。
[0008]进一步地，所述样品运动控制单元还包括水平导轨，所述水平导轨固定于第一动滑轨和第二动滑轨的中部或下部之间，所述推动装置与水平导轨相连接。
[0009]进一步地，所述样品运动控制单元还包括固定板，所述固定板垂向设置并通过滑套与水平导轨相连接，所述固定板的顶边与丝杠相平行，所述样品支杆与固定板固定连接，所述固定板能够在样品支杆的带动下沿水平导轨作水平移动。
[0010]进一步地，所述摩擦电测量单元还包括若干硬弹簧，所述硬弹簧固定于法拉第筒底部并相互对称设置，所述摩擦板固定于硬弹簧上。
[0011]进一步地，所述测量装置还包括玻璃柜，所述玻璃柜覆罩于屏蔽网罩外。
[0012]进一步地，所述测量装置还包括温湿度控制单元，所述温湿度控制单元包括加热装置、制冷装置、加湿器、温度传感器、湿度传感器及温湿度控制器，所述加热装置、制冷装置、加湿器、温度传感器及湿度传感器位于屏蔽网罩内，所述温湿度控制器位于玻璃柜外，所述加热装置、制冷装置、加湿器、温度传感器及湿度传感器分别与温湿度控制器相连接。
[0013]进一步地，所述测量装置还包括计算机监控系统，所述计算机监控系统与静电计相连接，所述计算机监控系统也可以与电子称和温湿度控制器同时连接。
[0014]一种球板摩擦电力-电实时测量方法，采用上述球板摩擦电力-电实时测量装置进行测量，并包括如下操作步骤:
(1)控制推动装置推动第一动滑轨和第二动滑轨向上运动，使样品支杆底端离开法拉第筒一定距离，然后在样品支杆的底端固定摩擦样品，对摩擦板表面进行去杂质处理；
(2)通过控制丝杠电机和丝杠的转动，调整水平位移块的水平位置并带动样品支杆作水平移动，直至样品支杆和摩擦样品位于摩擦板中心点正上方;将电子称清零，静电计调零；
(3)将屏蔽网罩盖好并接地，然后盖好玻璃柜，调节玻璃柜内温湿度，使玻璃柜内温湿度能够满足实验要求;静电计放置一段时间，使其读数稳定到零；
(4)控制推动装置拉动第一动滑轨和第二动滑轨向下移动，使样品支杆和摩擦样品进入到法拉第桶内，并使摩擦样品接触到摩擦板，继续向下拉动第一动滑轨和第二动滑轨直至电子称显示的压力值达到实验所需的压力值为止；
(5 )控制丝杠电机和丝杠的转动，使水平位移块带动样品支杆作水平往复运动，从而使摩擦样品在摩擦板表面滑动一定距离，运动距离由实验要求所定，达到实验要求的运动距离时停止；
(6)控制推动装置向上推动第一动滑轨和第二动滑轨，使样品支杆移出法拉第桶外一定高度，关闭推动装置，读取静电计示数。
[0015]本发明中，垂向是指竖直方向，即与水平面相垂直的方向。
[0016]本发明测量装置原理如下:
测量装置通过精确控制样品支杆的水平和垂向运动来研究运动速度、摩擦距离及压力对摩擦起电的影响。由电荷守恒可知，相对摩擦的两绝缘体所带电荷大小相等，电性相反，所以可以由此测量摩擦带电量。
[0017]具体地，本发明中样品支杆的水平运动主要由丝杠带动，丝杠电机向丝杠提供旋转运动的动力，丝杠又将其旋转运动转换为水平位移块的横向水平运动。丝杠下方设置横向的高精度水平导轨，固定板套接在水平导轨上，样品支杆与固定板相固定，从而能够保证样品支杆水平运动的精度，避免样品与水平位移块的水平位置不相一致。推动装置通过推动水平导轨垂向上下运动进而提供样品支杆垂向运动的动力并控制样品与摩擦板之间的压力。第一垂向滑轨和第二垂向滑轨为设备垂向运动的导向部件，为样品支杆提供准确的竖直位移。法拉第桶用于测量样品和摩擦板摩擦产生的电荷大小，具体是通过测量摩擦板的带电量来测量摩擦产生的电荷大小。高精度电子称测量样品与摩擦板的接触压力。屏蔽网罩笼罩着整个设备并接地，通过静电屏蔽的原理排除外界电磁场对设备测量结果的影响，玻璃柜屏蔽实验周围环境对电场的影响，并且可以实现温湿度变化对摩擦电影响的测量。外接静电计用于读取法拉第桶感应的电荷量。法拉第桶内摩擦板由硬弹簧支撑，可以避免由于摩擦板与样品接触压力过大对样品造成损坏。计算机监控系统可实时监测并记录静电计测得的摩擦电电荷量。
[0018]综上所述，本发明的有益效果在于:I)可精确测量相对摩擦速度、摩擦距离、接触压力、温湿度等多个变量对摩擦电电荷量的影响，并能对摩擦电电荷量的变化进行实时测量;2)整个实验过程都在屏蔽网罩和玻璃柜内进行，有效排除了周围环境对电荷测量的影响；3)控制方便，能够精确控制样品的摩擦速度、接触压力以及装置内部温湿度，而且操作控制都在屏蔽网罩和玻璃柜外完成，进一步避免了外界环境对摩擦电测量带来的影响;4)可对力-摩擦电进行实时监测并记录，便于数据后续处理。
【附图说明】
[0019]图1为本发明球板摩擦电力-电实时测量装置的结构主视图；
图2为本发明法拉第筒的结构示意图；
图3为本发明球板摩擦电力-电实时测量装置的结构立体图；
图中，1-玻璃柜，2-屏蔽网罩，3-设备底座，4-第一定滑轨，5-第一动滑轨，6-第二定滑轨，7-第二动滑轨，8-丝杠支架，9-丝杠，10-丝杠电机，11-水平位移块，12-样品支杆，13-上水平导轨，14-下水平导轨，15-固定板，16-卡槽，17-推杆，18-推杆电机，19-电子称，20-法拉第筒，21-硬弹簧，22-摩擦板，23-样品，24-外接控制装置，25-静电计。
【具体实施方式】
[0020]实施例1
如图1-3所示，一种球板摩擦电力-电实时测量装置，包括设备底座3、样品支杆12、样品运动控制单元、摩擦电测量单元、压力测量单元、温湿度控制单元、屏蔽网罩2、玻璃柜1、外接控制装置及计算机监控系统，其中:
设备底座3水平设置，用作测量装置基础平台；
样品支杆12用于固定摩擦电测量用样品23。
[0021]所述样品运动控制单元包括第一垂向滑轨、第二垂向滑轨、丝杠支架8、丝杠9、丝杠电机10、水平位移块11及推动装置，所述第一垂向滑轨由相互滑动连接的第一定滑轨4和第一动滑轨5构成，所述第二垂向滑轨由相互滑动连接的第二定滑轨6和第二动滑轨7构成，第一定滑轨4和第二定滑轨6固定于设备底座3上;丝杠支架8水平设置并固定于第一动滑轨和5第二动滑轨7的上部之间；丝杠9水平设置且其两端通过轴承(图中未示出)安装于丝杠支架8的两端;丝杠电机10与丝杠9的一端相连接，用于提供丝杠9转动的动力；水平位移块11与丝杠9螺纹连接并能沿丝杠9水平移动，样品支杆12与水平位移块11固定连接；
第一动滑轨5和第二