一种静电场测量实验仪的制作方法
【专利摘要】一种静电场测量实验仪，它由电场产生部分、电场测量部分和显示部分组成；所述电场产生部分经电场测量部分后与显示部分连接；所述电场产生部分包括正弦波信号发生器、电位器、功率放大器、升压变压器、整流管第一电极板和第二电极板；所述正弦波信号发生器的输出端经电位器及功率放大器后与升压变压器的初级线圈连接，所述升压变压器的次级线圈经整流管后作为电源输出端；所述滤波电容与电源输出端连接，其正负极分别与第一电极板和第二电极板连接。本实用新型结构简便，能够满足静电场测量的实验教学要求，可广泛应用于高校物理学、电磁学和电磁场等课程的实验教学。
【专利说明】一种静电场测量实验仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种教学实验器具，特别是一种静电场测量实验仪，属于测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]电场和电场强度是物理学、电磁学、电磁场等课程中的一个重要概念。由于静电体系所产生的静电场一般比较复杂，难以得到其电场强度和电势分布的解析表达式，如果直接将测试仪表置于静电场中进行测量，受静电场作用，将会形成感应电荷或极化束缚电荷，使待测的原电场发生畸变，因此，目前的静电场实验仪器多采用稳恒电流场的测量来模拟静电场，其原理是测量稳恒电流场内等电势线的分布，然后利用电力线与等势线垂直且由电势高的地方指向电势低的地方的关系，来模拟静电场的分布。由于不能直接测量静电场的大小，实验原理抽象，学生易产生误解。另外，这种实验方法也存在诸多问题:(1)只能得到电场的等势面，而不能得到测量点的电场数值；(2)测量的电压值与电场没有直接的线性关系，并不能反映该点电场值。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的在于克服已有技术之缺陷、提供一种操作简便、测量准确，且能够直观反映电场值的静电场测量实验仪。
[0004]本实用新型所述问题是由以下技术方案解决的:
[0005]一种静电场测量实验仪，它由电场产生部分、电场测量部分和显示部分组成，所述电场产生部分、电场测量部分与显示部分依次电连接；所述电场产生部分包括正弦波信号发生器、电位器、功率放大器、升压变压器、整流管、第一电极板和第二电极板；所述正弦波信号发生器经电位器及功率放大器后与升压变压器的初级线圈连接；所述升压变压器的次级线圈经整流管后作为信号输出端、并与第一电极板电连接；滤波电容接于信号输出端上。
[0006]上述静电场测量实验仪，所述电场测量部分包括运算放大器、数据采集卡、第一电极板、第二电极板和第三电极板；所述第一电极板、第二电极板间隔配置，所述第三电极板设置在第一电极板和第二电极板之间；所述运算放大器的的同相输入端连接第三电极板，其反相输入端经第二电极板接地，运算放大器的输出端经数据采集卡连接显示部分。
[0007]上述静电场测量实验仪，所述第三电极板为中心轴对称的扇形形状，所述第三电极板经中心轴由驱动电机驱动旋转。
[0008]上述静电场测量实验仪，所述第二电极板上设有开口空缺部分，所述开口空缺部分与第三电极板的面积及形状相同。
[0009]上述静电场测量实验仪，所述显示部分为计算机，它与数据采集卡通过USB引线连接。
[0010]本实用新型利用第一电极板与第二电极板组成的平行板电容器产生所需要的均勻电场，在电场的作用下，第三电极板的输出电压与该点的电场强度成正比，经过放大和A/D转换，直接显示相应的电场值。利用这些参数，可以研究不同平行板电容器的电场电压V、间距d或介质下的电场强度，并在计算机上描绘出电场的等势面、电场强度曲线。
[0011]本实用新型结构简单，完全能够满足静电场测量的实验教学要求，可广泛应用于物理学、电磁学和电磁场等课程的实验教学。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型电路示意图；
[0013]图2为静电场测量原理图。
[0014]图中各标号清单为:1.第一电极板、2.第二电极板、3.第三电极板、4.计算机、
5.数据采集卡、W.电位器、G.正弦波信号发生器、A.功率放大器、T.升压变压器、N.运算放大器、M.电动机、C.滤波电容、R.电阻、Z.整流管。
【具体实施方式】
[0015]参看图1，本实用新型是由电场产生部分、电场测量部分和显示部分组成；其中，电场产生部分经电场测量部分后与显示部分连接；电场产生部分包括正弦波信号发生器G、电位器W、功率放大器A、升压变压器T、第一电极板I和第二电极板2;所述正弦波信号发生器G的输出端经电位器W与功率放大器A的输入端连接；所述功率放大器A的输出端接升压变压器T的初级线圈；所述升压变压器T的次级线圈经整流管Z后作为电源输出端，并与滤波电容C连接；所述滤波电容C的正负极分别与第一电极板I和第二电极板2连接。
[0016]电场测量部分包括运算放大器N、数据采集卡5和第三电极板3 ;所述第三电极板3为中心对称的双扇形结构，其中心点与电动机M的曲轴连接；所述第三电极板3设置在第一电极板I和第二电极板2之间；所述运算放大器N的反相输入端、同相输入端分别与第二电极板2和第三电极板3连接，所述运算放大器N的输出端与数据采集卡5的输入端连接；所述数据采集卡5的输出端与显示部分连接。所述显示部分为计算机。本实用新型静电场电压为直流电压，幅度可在O?500V范围内调节。而且，由于负载极板接近开路，使其几乎不消耗电流，有效降低了功耗较。
[0017]本实用新型运算方式为:在第一电极板I和第二电极板2之间施加直流电压U，设第一电极板I和第二电极板2的间距为h，则在第一电极板I和第二电极板2之间产生的静电场为E=U/h，设第三电极板面积为S，旋转角速度为ω，则极板第二电极板和第三电极板的相对面积发生周期性变化，忽略边缘效应，它们之间产生交变电流为i= ε OES ω cNs (ω t)，式中ε O为空气的介电常数，电流i经运算放大器N转变为电压信号u=iR，利用数据采集卡5和计算机4测量得到该电压信号幅值，就可以反演确定待测静电场E=um / (R ε OS ω)。式中um为u的幅值。
[0018]通过向第一电极板和第二电极板施加不同电压等级的直流电压，利用计算机4测量输出电场值。下述为第二电极板和第三电机板间距为5mm,电机转速3000转/分钟时的实验测量记录:
[0019]
E (kV/m)
U (Vh:1 Ommh=2 Qmm
A=SQmm
)
100.9890.4980.289
504.9882.4651.598
1009.8994.8973.276
15014.9867.3874.879
20019.8959.8976.598
25024.89712.4588.293
30029.88914.9389.786
35034.89717.39911.579
40039.96419.76213.275
45044.89622.38714.879
500 50.000 24.899 16.574
[0020]经试验，测量结果与理论计算结果误差均在5%以内，说明实验测量是成功的。
[0021]参看图2，所述电阻R接于运算放大器N的同相输入端和输出端之间，用于将输入的电流信号转变为电压信号。第一电极板I和第二电极板2构成平行板电容器,所述第一电极板和第二电极板均为直径300mm,厚度2_的圆形招材板，用于产生静电场，第二电极板和第三电极板构成探测极板，第二电极板为场产生与测量的公共电极，第三电极板是一个对称的双扇形铝材可旋转叶片，其中心点固定在12V直流电机M的轴上。另外，极板B上具有与极板C相同面积和形状的开口，极板C每旋转一周可以与极板B上的开口重合一次。
[0022]本实用新型所用的正弦波信号发生器G型号为ICL8038、功率放大器A型号为HFA-100、运算放大器N型号为LF3140、数据采集卡5型号为USB6210。
【权利要求】
1.一种静电场测量实验仪，其特征在于:它由电场产生部分、电场测量部分和显示部分组成，所述电场产生部分、电场测量部分与显示部分依次电连接；所述电场产生部分包括正弦波信号发生器(G)、电位器(W)、功率放大器(A)、升压变压器(T)、整流管(Z)、第一电极板(I)和第二电极板(2);所述正弦波信号发生器(G)经电位器(W)及功率放大器(A)后与升压变压器(T)的初级线圈连接；所述升压变压器(T)的次级线圈经整流管(Z)后作为信号输出端、并与第一电极板(I)电连接；滤波电容(C)接于信号输出端上。
2.根据权利要求1所述静电场测量实验仪，其特征在于:所述电场测量部分包括运算放大器(N)、数据采集卡(5)、第一电极板(I)、第二电极板(2)和第三电极板(3);所述第一电极板(I)、第二电极板(2)间隔配置，所述第三电极板(3)设置在第一电极板(I)和第二电极板(2)之间；所述运算放大器(N)的的同相输入端连接第三电极板(3)，其反相输入端经第二电极板接地，运算放大器的输出端经数据采集卡(5)连接显示部分。
3.根据权利要求2所述静电场测量实验仪，其特征在于:所述第三电极板(3)为中心轴对称的扇形形状，所述第三电极板经中心轴由驱动电机驱动旋转。
4.根据权利要求3所述静电场测量实验仪，其特征在于:所述第二电极板(2)上设有开口空缺部分，所述开口空缺部分与第三电极板(3 )的面积及形状相同。
5.根据权利要求4所述静电场测量实验仪，其特征在于:所述显示部分为计算机(4)，它与数据采集卡(5)通过USB引线连接。
【文档编号】G09B23/18GK204010464SQ201420487371
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】刘洋 申请人:华北电力大学（保定）