一种静电力与安培力驱动的动力机制作和演示的方法与流程

本申请涉及一种安培力与静电力驱动的实验仪器制作和演示方法，属于物理实验仪器领域。

背景技术：

在大学物理课中，静电是一个重要的内容，静电感应的应用更是大家关注的内容。多年来，为帮助学生正确理解此概念和应用静电感应，配合教学设置的一些演示实验，如静电跳球实验，静电摆球实验，静电滚筒实验，静电吹风，以及本专利发明人设计的垢块静电跳球实验仪、摆动式静电动力机等，现有静电演示装置虽然在一定程度上解决了一些需要，但缺少对静电动力演示实验的进一步开拓创新，作为动力机方面，目前见到的演示动力机主要包括：热机、电动机(安培力驱动)、驻波马达等动力机，这些具有其独特的优势与局限，缺少有效实现静电动力机方面的设计与装置，特别是静电动力机实验中在电荷交换时形成的电流没有得到利用，如何实现旋转板为平板式获得连续同向驱动的静电动力机且在电荷交换时形成的电流得到利用，以及如何实现电极板、电荷交换刷相对电极板位置和永磁体撤出时几种情形的演示，本专利就要解决这个问题。本专利是在国家自然基金项目(项目号：11405092)、齐齐哈尔市科学技术项目(项目号：gygg-201423)、2017年度黑龙江省教育厅基本科研业务专项及高等学校教改工程项目的支持下完成的。

参考文献：

梁法库等.一种有趣的石蜡火焰垢块静电跳球实验与分析[j]《大学物理》2015.4

王飞.静电动力机[zl]cn1941594，公布日：2007.04.04

朱贺，李晓红.一种感应启电机式静电摆球[zl]cn201927254u，公布日2011.08.10

梁法库等.一种内置石蜡火焰垢块的静电跳球实验仪[zl]cn103606326a，公布日：2014.02.26

技术实现要素：

本申请是解决课堂或课下用的动力机，着重通过电极板为柱面金属导体板，旋转板为非铁磁质金属导体平板，实现连续静电力驱动，且将旋转板与电极板电荷交换时形成的电流转化为安培力驱动的方法。

本申请技术方案：一种静电力与安培力驱动的动力机制作和演示的方法，主要由电极板、旋转板、塑料转盘转轴、塑料转盘、电荷交换刷、永磁体、支架、高密度绝缘板、连接导线、高压静电电源构成，其特征是：所述电极板包括金属导体板a、金属导体板b，金属导体板a与金属导体板b均是由暖水瓶金属导体外壳切割而成的柱面形状电极板，电极板垂直并固定于高密度绝缘板上；所述旋转板是由表面光滑、材料相同、大小相同的非铁磁质金属导体平板c(网状铝板)和金属导体平板d(网状铝板)构成，金属导体平板c和金属导体平板d以塑料转盘转轴为轴对称连接在塑料转盘上并固定，金属导体平板c与金属导体平板d之间绝缘，金属导体平板c、金属导体平板d与塑料转盘转轴在同一垂直于高密度绝缘板的平面内；塑料转盘转轴穿过塑料转盘的光滑中心孔，塑料转盘绕塑料转盘转轴可以自由转动，塑料转盘转轴一端垂直固定在高密度绝缘板上，另一端穿过支架的光滑中心孔，支架固定在高密度绝缘板上，电荷交换刷固定在旋转板上，所述电荷交换刷为软包皮导线中的细铜丝(具有一定弹性)组成，永磁体固定在高密度绝缘板上，且置于电荷交换刷与电极板电荷交换时对应的电极板上电荷交换的位置内侧(靠近电荷交换刷的下端)，确保使得电荷交换刷在与电极板电荷交换时电荷交换刷中产生的电流在永磁体磁场中产生的安培力力矩与旋转板受到的静电力作用产生的力矩方向一致；在高密度绝缘板上，以塑料转盘转轴为轴，以电荷交换刷外端(电荷交换刷刚好与电极板接触)到塑料转盘转轴的距离为半径在高密度绝缘板上画出圆周，将电极板中的金属导体板a与金属导体板b以塑料转盘转轴为对称轴垂直固定在高密度绝缘板上，且确保金属导体板a与金属导体板b在所述圆周的外侧并与所述圆周相接(与所述圆周相接处的金属导体板a边缘与金属导体板b边缘，是旋转板中金属导体平板c与金属导体平板d上的电荷交换刷分别刚好能接触电极板的边缘)。用带绝缘皮的连接导线附于高密度绝缘板表面连接金属导体板a与金属导体板b，再用连接导线分别与高压静电电源两极端连接，并由开关控制供电。所述圆周的半径等于金属导体板a、金属导体板b的柱面形状电极板半径。

演示实验1，先将旋转板中的金属导体平板c与金属导体平板d上的电荷交换刷分别刚好能接触电极板，再启动开关供电，旋转板就随之定向转动了。

演示实验2，撤出永磁体，将电极板中的金属导体板a与金属导体板b以塑料转盘转轴为对称轴垂直固定在高密度绝缘板上，且确保金属导体板a与金属导体板b在所述圆周上(与圆周重合)，先将旋转板中的金属导体平板c与金属导体平板d上的电荷交换刷分别刚好能接触电极板中的金属导体板a的一侧边缘与金属导体板b的一侧边缘，启动开关供电，将会出现旋转板中的金属导体平板c与金属导体平板d在电极板中的金属导体板a与金属导体板b之间往复摆动，而不是定向转动了。

演示实验3，撤出永磁体，将电极板中的金属导体板a与金属导体板b以塑料转盘转轴为对称轴垂直固定在高密度绝缘板上，且确保金属导体板a与金属导体板b在所述圆周上，先将旋转板中的金属导体平板c与金属导体平板d上的电荷交换刷分别刚好能接触电极板中的金属导体板a的内侧面(凹面)中心母线位置与金属导体板b的内侧面(凹面)中心母线位置，启动开关供电，旋转板中的金属导体平板c与金属导体平板d不转动(此情况为在启动开关供电后，旋转板很快与电极板达到等电势，旋转板与接触的电极板带有同种电荷，电极板中的金属导体板a与金属导体板b对旋转板静电力合力力矩为零)。

对演示实验1的原理分析，如附图2，旋转板的金属导体平板c和金属导体平板d上的电荷交换刷分别与电极板中金属导体板a、金属导体板b接触，接通开关，金属导体平板c和金属导体平板d上的电荷交换刷分别与电极板中金属导体板a、金属导体板b电荷交换，分别获得与电极板中金属导体板a、金属导体板b的同性电荷，由于同性电荷排斥产生推力，也就是金属导体板a与金属导体平板c排斥，静电力为fe，同理，金属导体板b与金属导体平板d排斥，静电力为-fe；与此同时电荷交换刷及旋转板在电荷交换过程时形成了瞬间电流，此电流在永磁体的上方，永磁体产生的平行于旋转板垂直于电荷交换刷在电荷交换时形成的瞬间电流，此时电荷交换刷及旋转板受到安培力，也就是，金属导体平板c及其上的电荷交换刷受到安培力f，金属导体平板d及其上的电荷交换刷受到安培力-f，因此静电力产生的旋转力矩与安培力产生的旋转力矩同向；这比单一的静电力产生的旋转力矩更充分利用电能，电极板与旋转板在电荷交换时静电力由吸引向排斥过度时静电力也发生变化(强-弱-强变化)，利用由电荷交换刷在电荷交换时形成的瞬间电流在磁场中产生安培力增加了旋转板的驱动力矩。在电极板与旋转板分离后，安培力消失，金属导体板a与金属导体平板c排斥，金属导体板b与金属导体平板c吸引，同理，金属导体板b与金属导体平板d排斥，金属导体板a与金属导体平板d吸引；产生同向驱动力矩，这样就形成了持续的同向驱动力矩。

对演示实验2的原理分析，将附图2中金属导体板a与金属导体板b放置在圆周上(与圆周重合)，旋转板的金属导体平板c和金属导体平板d上的电荷交换刷分别与电极板中金属导体板a、金属导体板b接触，接通开关，金属导体平板c和金属导体平板d上的电荷交换刷分别与电极板中金属导体板a、金属导体板b电荷交换，分别获得与电极板中金属导体板a、金属导体板b的同性电荷，由于同性电荷排斥产生推力，也就是金属导体板a与金属导体平板c排斥，静电力为fe，金属导体板b与金属导体平板d排斥，静电力为-fe；同理，在静电力力矩驱动下旋转板的金属导体平板c和金属导体平板d又分别与电极板中金属导体板b、金属导体板a电荷交换，受到反向静电力矩驱动，就这样旋转板在电极板中的金属导体板a与金属导体板b之间往复摆动。

本申请产生的思想，在研制静电力驱动时(专利号201510534156.2一种静电动力机实验仪)发现在旋转板与电极板放电形成了很强的电流，电流没有得到利用，就想能否把电流利用磁场驱动，把摆动板摆动变成连续同方向力矩驱动，经过多次试验获得成功。

本申请与现有技术显著不同，有益之处在于：正负电极板为柱面形状电极板且在电压一定时，旋转板为平板，而非球状或柱状，获得连续同向驱动力矩，同时把电荷交换刷在电荷交换时形成的瞬间电流，转化为安培力驱动，增大作用力；也实现电极板相对所述圆周的位置、电荷交换刷相对电极板位置等几种情形演示，把静电力与安培力融于一体的设计更有利于学生的创新精神与实践能力的培养，这种动力机是低制造成本、低运行成本和无污染的，制作极其简易，效果明显，在教学中会增加更多的教育功能，是一项很有意义具有开拓前景的工作。

附图说明

附图1为本专利的结构示意图

附图2为本专利的原理示意图

附图3为本专利的俯视示意图

附图标记1.电极板，2.旋转板，3.塑料转盘转轴，4.塑料转盘，5.电荷交换刷，6.永磁体，7.支架，8.高密度绝缘板，9.连接导线，10.高压静电电源，11.圆周

具体实施方式

如附图1、附图3：一种静电力与安培力驱动的动力机制作和演示的方法，主要由电极板1、旋转板2、塑料转盘转轴3、塑料转盘4、电荷交换刷5、永磁体6、支架7、高密度绝缘板8、连接导线9、高压静电电源10构成，其特征是：所述电极板1包括金属导体板a、金属导体板b，金属导体板a与金属导体板b(由暖水瓶金属导体外壳切割而成的)均是柱面形状电极板，电极板1垂直并固定于高密度绝缘板8上；所述旋转板2是由表面光滑、材料相同、大小相同的非铁磁质金属导体平板c(网状铝板)和金属导体平板d(网状铝板)构成，金属导体平板c和金属导体平板d以塑料转盘转轴3为轴对称连接在塑料转盘4上并固定，金属导体平板c与金属导体平板d之间绝缘，金属导体平板c、金属导体平板d与塑料转盘转轴3在同一垂直于高密度绝缘板8的平面内；塑料转盘转轴3穿过塑料转盘4的光滑中心孔，塑料转盘4绕塑料转盘转轴3可以自由转动，塑料转盘转轴3一端垂直固定在高密度绝缘板8上，另一端穿过支架7的光滑中心孔，支架7固定在高密度绝缘板8上，电荷交换刷5固定在旋转板2上，所述电荷交换刷5为软包皮导线中的细铜丝组成；永磁体6固定在高密度绝缘板8上，且置于电荷交换刷5与电极板1电荷交换时对应的电极板1上电荷交换的位置内侧(靠近电荷交换刷5的下端)，确保使得电荷交换刷5在与电极板1电荷交换时电荷交换刷5中产生的电流在永磁体6磁场中产生的安培力力矩与旋转板2受到的静电力作用产生的力矩方向一致；在高密度绝缘板8上，以塑料转盘转轴3为轴，以电荷交换刷5外端(电荷交换刷5刚好与电极板1接触)到塑料转盘转轴3的距离为半径在高密度绝缘板8上画出圆周11，将电极板1中的金属导体板a与金属导体板b以塑料转盘转轴3为对称轴垂直固定在高密度绝缘板8上，且确保金属导体板a与金属导体板b在所述圆周11的外侧并与所述圆周11相接(与所述圆周11相接处的金属导体板a边缘与金属导体板b边缘，是旋转板2中金属导体平板c与金属导体平板d上的电荷交换刷5分别刚好能接触电极板1的边缘)。用带绝缘皮的连接导线9附于高密度绝缘板8表面连接金属导体板a与金属导体板b，再用连接导线9分别与高压静电电源10两极端连接，并由开关控制供电。所述圆周11的半径等于金属导体板a、金属导体板b的柱面形状电极板半径。

演示实验1，先将旋转板2中的金属导体平板c与金属导体平板d上的电荷交换刷5分别刚好能接触电极板1，再启动开关供电，旋转板2就随之定向转动了。

演示实验2，撤出永磁体6，将电极板1中的金属导体板a与金属导体板b以塑料转盘转轴3为对称轴垂直固定在高密度绝缘板8上，且确保金属导体板a与金属导体板b在所述圆周11上，先将旋转板2中的金属导体平板c与金属导体平板d上的电荷交换刷5分别刚好能接触电极板1中的金属导体板a的一侧边缘与金属导体板b的一侧边缘，启动开关供电，将会出现旋转板2中的金属导体平板c与金属导体平板d在电极板1中的金属导体板a与金属导体板b之间往复摆动，而不是定向转动了。

演示实验3，撤出永磁体6，将电极板1中的金属导体板a与金属导体板b以塑料转盘转轴3为对称轴垂直固定在高密度绝缘板8上，且确保金属导体板a与金属导体板b在所述圆周11上，先将旋转板2中的金属导体平板c与金属导体平板d上的电荷交换刷5分别刚好能接触电极板1中的金属导体板a的内侧面(凹面)中心母线位置与金属导体板b的内侧面(凹面)中心母线位置，启动开关供电，旋转板2中的金属导体平板c与金属导体平板d不转动。

具体实施的主要参数优选之一：圆周11的半径与金属导体板a、金属导体板b的柱面形状电极板半径相同，均为12.4cm，塑料转盘转轴3为金属轴，长10cm、直径0.2cm；绝缘塑料转盘4中心孔径为0.3cm、外径为5cm、厚度为4mm；电荷交换刷5长为1cm，宽为0.5cm；高密度绝缘板8长为57cm、宽为45cm；电极板1为不锈钢电极板，由暖水瓶金属导体外壳切割而成的柱面形状电极板，弧长为9.89cm、高为6.62cm；高压静电电源10为1万伏；旋转板2为铝质板，长为7.89cm，高为6.62cm；永磁体6为表面1mm处磁场为0.5特斯拉。