一种锥形体表面电荷分布演示仪的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】 一种锥形体表面电荷分布演不仪
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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”。它可以直观展不静电平衡后，净电荷只分布在导体表面的情况、演不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
[0004]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。
[0005]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；
[0006]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；
[0007]所述高压静电电源通过支柱与所述锥形体电连接；
[0008]所述塑料薄片安装在所述锥形体上。
[0009]所述36倍压电路板由三块12倍压电路板串联而成。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]所述螺丝与所述接线柱电连接。
[0015]所述电源外壳采用有机玻璃制成的盒子。
[0016]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]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。
[0018]图1本实用新型半波整流合成电路原理图。
[0019]图2本实用新型二倍压整流合成电路原理图。
[0020]图3本实用新型多倍压整流合成电路原理图。
[0021]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】
[0022]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，DUCl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Dl对电容Cl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2 AU2,所以负载RL上获得的电压UL=2VJU2，
是半波整流器电压的2倍。
[0023]请配合参阅图2所示，如为二倍压整流合成电路，DUCl构成半波整流器，U2的最大值为V^U2。在交流电正半周，Cl上也充电到ViU2。在负半周，Dl截止，U2却和Cl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2V2U2o
[0024]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2力U2,理论上可以提高到4?K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 =⑶可算出每个电容器可带的最大电量，若电容C = 0.047 μ F，每级倍压电压2U2 = 749V时，电容可带最大电量Q = 3.5X10-5C,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 = 3.5X10-5C/ (0.02X36) = 4.8X 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。
[0025]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I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。
[0026]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Icm的孔。把另一个易拉罐的两底去掉，把侧面展开成长方形。
[0027]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。
[0028]本实用新型锥形体表面电荷分布演示仪演示方法及步骤。
[0029]步骤一:将锥形体插入高压静电电源的输出端插孔内。
[0030]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。
[0031]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。
[0032]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。
[0033]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。
【权利要求】
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。
【文档编号】G09B23/18GK204010451SQ201420294676
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年6月4日 优先权日:2014年6月4日
【发明者】周明快 申请人:浙江商业职业技术学院