[实用新型]一种模拟法测绘静电场的实验装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种大学物理实验装置，具体是涉及一种模拟法测绘静电场的实验装置。

背景技术

在研究静电现象或电子束的运动规律时，需要确定带电体周围的电场分布情况。但是带电体(有时称电极)在空间形成的静电场，除极简单的情况外，大都不能求出其数学表达式，为了实用的目的，往往需要借助实验的方法来测定。但是，直接测定静电场是很困难的，因为静电场没有电流，测量仪器不能采用磁电式仪表，只能采用静电式仪表，不仅设备复杂，而且由于把测试仪器引入静电场后，由于静电感应和极化作用，原静电场会产生显著畸变，因此经常采用一种间接的测定方法——模拟法来测定静电场。所谓静电场的模拟法，就是用某种其他形式的“场”(称为模拟场)来代替(模拟)静电场，从而能够通过对模拟场的研究来代替对静电场的研究。只要测定了模拟场的分布，静电场的分布情况也就被测定了。可以充当“模拟场”的条件是该“场”所服从的分布规律(满足的数学方程)与静电场完全相似(数学形式完全相同)。只要满足以下条件：(1)稳恒电流场中的电极形状与被模拟的静电场的带电体几何形状相同；(2)稳恒电流场中的导电介质是均匀介质，即导电率处处相等，并远小于电极的电导率，以保证电流场中的电极可近似看作等位体；(3)模拟所用电极系统与被模拟电极系统的边界条件相同，就可以采用稳恒电流场来模拟静电场，二者具有相同的电位分布。

在现代科学研究中，模拟法已经成为一种常用的手段和方法。在实际工作中，静电场的模拟法经常用于电子管、示波管、显像管及电子显微镜等多种电子束管内部电极形状的设计与研制。

模拟法测绘静电场的实验是大学物理实验中一个非常常见的实验项目，大学物理实验中，模拟法测绘静电场的实验中导电介质有采用自来水的，也有采用导电纸或导电玻璃的。目前的实验装置主要存在以下不足：

其一，采用导电纸或导电玻璃作为导电介质，经常存在介质分布不均匀的情况，使实验结果产生较大误差。

其二，采用导电纸或导电玻璃作为导电介质，探头容易磨损介质表面，对仪器造成损伤，并且影响实验精度。

其三，采用自来水作为导电介质，存在导电率不易控制的问题。

其四，采用手动方式改变探针位置寻找等位点，操作繁琐，定位精度不高。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本实用新型提出一种模拟法测绘静电场的实验装置，该装置不采用自来水而是采用一定浓度的氯化钠溶液作为导电介质，避免导电率的波动，采用步进电机及直线电机带动探针移动，定位准确方便。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：采用一个大尺度的水槽，水槽内加入一定浓度的氯化钠溶液，水槽内设置两个电极，电极与交流电压源相连，通过交流电压源电压调节旋钮可以调节加在电极上的电压大小。在水槽的上方设置一支架，在支架上位于水槽中心处设置一步进电机，步进电机通过连接杆与直线电机导轨相连接，可以带动导轨旋转，导轨上设置一直线电机，直线电机与探针相连，探针末端设置一探头，探头与主控制器相连，可以测量探头所在位置的电位。步进电机通过接口与步进电机驱动器相连，步进电机驱动器通过接口与主控制器相连；直线电机通过接口与直线电机驱动器相连，直线电机驱动器通过接口与主控制器相连。通过主控制器上的电位调节旋钮可以设定待测等位线的电位，通过主控制器上的直线电机位置显示屏可以显示探针探头所在处的极坐标下的极径，步进电机旋转角度显示屏可以显示探针探头所在处的极坐标下的极角。通过交流电压源将两电极间的电压调至合适值，按下复位按键，在主控制器控制下，步进电机带动直线电机导轨至初始位置，即X轴正方向。通过主控制器上的待测等位线电位调节旋钮设定待测等位线的电位，接下来按下测量启动按键，则直线电机带动探针探头移动，同时测量相应点的电位，并与设定值比较，至相等停下来，从直线电机位置显示屏读出探头所在处的极坐标下的极径，从步进电机旋转角度显示屏读出探头所在处的极坐标下的极角。接下来再按下测量启动按键，则步进电机带动直线电机导轨旋转一定角度，然后直线电机带动探针探头移动，测出下一等位点的坐标。依次使步进电机带动导轨旋转一周，测出不同方向上的等位点，就可测绘出一条等位线。通过主控制器上的待测等位线电位调节旋钮依次改变待测等位线的电位，同样可以测绘出相应等位线，最后根据电场线和等位线之间的正交关系就可以作出电场线的分布图。

本实用新型的有益效果是，采用一定浓度的氯化钠溶液作为导电介质，导电率容易控制，利用控制器控制驱动器，带动步进电机及直线电机移动探针探头，定位准确，操作方便。

附图说明