[实用新型]一种直接测量静电场的实验仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种直接测量静电场的实验仪。

背景技术

现在大学物理的静电场实验中，由于没有办法直接测量静电场，只能采用电流场模拟静电场来研究静电场的特性，其方法是根据相同的边界条件、相同位置的电流场与静电场的电压—电场关系一致，用电流场代替静电场，测量电流场中的电压确定等势面。这种实验方法存在很多问题：（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，不能放映该点电场值；（3）误差也比较大，需要求出半径的平均值；（4）间距固定，无法研究间距对电场影响；（5）假定介质的单一均匀，无法研究不同介质对电场的影响。因此亟待开发出新型的可以直接测量电场的实验仪，以解决目前大学物理静电场实验中所遇到的上述问题。

发明内容

本实用新型提供一种直接测量静电场的实验仪，本实用新型设计一种直接测量静电场的实验仪，包括电场产生装置、固态静电场传感器和信号放大电路与显示电路，其特征在于：电场产生装置由上下两块安装在绝缘支架上的极板及与极板相连接的电场电压源组成，固态静电场传感器安装在上下两块极板之间的空间内，固态静电场传感器的信号输出端由信号放大电路接显示电路。其特征在于：安装在绝缘支架上的上下两块极板为两块平行的金属板，两块平行的金属板构成平行板电容器。

本实用新型的优点是：利用两个平行金属板组成的电容器产生标电场，在电场的作用下，固态静电场传感器的输出电压与该点的电场值成正比，经过放大和A/D转换，直接显示相应的电场值。可以研究不同的平行板电容器的电场电压V、间距d或介质下电场值，描绘出电场的等势面、电场值曲线，还可以研究当平行板电容器两极板的电源切断后，改变极板间距，电场值不变。所有这些，都是模拟静电场仪无法完成的。

附图说明

图1是本实用新型的一种直接测量静电场的实验仪的示意图。

具体实施方式

一种直接测量静电场的实验仪，包括电场产生装置、固态静电场传感器和信号放大电路与显示电路，其特征在于：电场产生装置由上下两块安装在绝缘支架上的极板及与极板相连接的电场电压源组成，固态静电场传感器安装在上下两块极板之间的空间内，固态静电场传感器的信号输出端由信号放大电路接显示电路。其特征在于：安装在绝缘支架上的上下两块极板为两块平行的金属板，两块平行的金属板构成平行板电容器。

其工作原理是，平行板电容器的平行金属板和调节平行金属板间距的绝缘支架，当电场电压源加到平行金属板上后，在平行金属板中间区域产生静电场。固态静电场传感器在电场中，输出的电压值随垂直作用于传感器表面的电场变化，并且输出电压变化量与电场值成正比，测量输出电压的变化就可直接读出电场值。

（1）平行板电容器的平行金属板间距d不变时，改变平行板电容器的平行金属板的电压值，根据高斯定理，平行金属板中间区域产生一个的静电场，其电场值与电场电压值成正比，此电场值经过固态静电场传感器转化为输出电压的变化量，其与所加的电压成正比，即显示电场值与电压值成正比。

（2）平行板电容器的电场电压值V不变时，改变平行板电容器的平行金属板的间距，根据高斯定理，平行金属板中间区域产生一个均匀的静电场，其电场值与平行金属板的间距值d成反比，此电场值经过电场感应元件：固态静电场传感器转化为输出电压的变化量，与平行金属板的间距值d成反比，即显示电场值与平行金属板的间距值d成反比。

（3）平行板电容器的平行金属板电压值V和间距都不变时，改变平行板电容器的平行金属板之间的介质，例如插入木板、金属板等，平行板电容器的电容值增加，金属极板的电荷密度随电容值等比例增加。除插入的木板、金属板等以外部分，介电常数不变，根据高斯定理，电场随金属极板的电荷密度的增加而增加，即显示电场值随介质增加。

图1的特例，电场电压源提供可变的电场电压，包括1开关、2电压调节、3电压显示和4、5接线柱五部分。调节2电压调节改变电场电压值，并在3电压显示上显示电场电压大小，通过4、5接线柱连接到平板电容器的上下极板。平行板电容器包括8上金属极板和9下金属极板，与电场电压源相连的6、7接线柱，10绝缘接地支架、11绝缘支架，在平行金属板中间区域产生一个均匀的静电场。调节平板电容器间距、介质可以改变电场。12固态静电场传感器具有体积小、成本低、可以大规模生产等优点，是本实用新型的核心。当平行板电容器产生的静电场作用于固态静电场传感器时，传感器的输出电压发生变化。信号放大与显示包括13、14、15接线柱与12固态静电场传感器相连，16开关、17开始测量、18停止和19电场显示。固态静电场传感器的输出电压信号经放大电路方法后，由显示电路中所带的A/D转换模块转化成数字信号，传输给显示电路中以单片机为核心的控制模块处理，然后送显示电路中的显示模块显示电场值。