一種靜電場測量實驗儀的製作方法
2023-09-23 20:55:15 1
一種靜電場測量實驗儀的製作方法
【專利摘要】一種靜電場測量實驗儀，它由電場產生部分、電場測量部分和顯示部分組成；所述電場產生部分經電場測量部分後與顯示部分連接；所述電場產生部分包括正弦波信號發生器、電位器、功率放大器、升壓變壓器、整流管第一電極板和第二電極板；所述正弦波信號發生器的輸出端經電位器及功率放大器後與升壓變壓器的初級線圈連接，所述升壓變壓器的次級線圈經整流管後作為電源輸出端；所述濾波電容與電源輸出端連接，其正負極分別與第一電極板和第二電極板連接。本實用新型結構簡便，能夠滿足靜電場測量的實驗教學要求，可廣泛應用於高校物理學、電磁學和電磁場等課程的實驗教學。
【專利說明】一種靜電場測量實驗儀
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種教學實驗器具，特別是一種靜電場測量實驗儀，屬於測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]電場和電場強度是物理學、電磁學、電磁場等課程中的一個重要概念。由於靜電體系所產生的靜電場一般比較複雜，難以得到其電場強度和電勢分布的解析表達式，如果直接將測試儀表置於靜電場中進行測量，受靜電場作用，將會形成感應電荷或極化束縛電荷，使待測的原電場發生畸變，因此，目前的靜電場實驗儀器多採用穩恆電流場的測量來模擬靜電場，其原理是測量穩恆電流場內等電勢線的分布，然後利用電力線與等勢線垂直且由電勢高的地方指向電勢低的地方的關係，來模擬靜電場的分布。由於不能直接測量靜電場的大小，實驗原理抽象，學生易產生誤解。另外，這種實驗方法也存在諸多問題:(1)只能得到電場的等勢面，而不能得到測量點的電場數值；(2)測量的電壓值與電場沒有直接的線性關係，並不能反映該點電場值。
實用新型內容
[0003]本實用新型的目的在於克服已有技術之缺陷、提供一種操作簡便、測量準確，且能夠直觀反映電場值的靜電場測量實驗儀。
[0004]本實用新型所述問題是由以下技術方案解決的:
[0005]一種靜電場測量實驗儀，它由電場產生部分、電場測量部分和顯示部分組成，所述電場產生部分、電場測量部分與顯示部分依次電連接；所述電場產生部分包括正弦波信號發生器、電位器、功率放大器、升壓變壓器、整流管、第一電極板和第二電極板；所述正弦波信號發生器經電位器及功率放大器後與升壓變壓器的初級線圈連接；所述升壓變壓器的次級線圈經整流管後作為信號輸出端、並與第一電極板電連接；濾波電容接於信號輸出端上。
[0006]上述靜電場測量實驗儀，所述電場測量部分包括運算放大器、數據採集卡、第一電極板、第二電極板和第三電極板；所述第一電極板、第二電極板間隔配置，所述第三電極板設置在第一電極板和第二電極板之間；所述運算放大器的的同相輸入端連接第三電極板，其反相輸入端經第二電極板接地，運算放大器的輸出端經數據採集卡連接顯示部分。
[0007]上述靜電場測量實驗儀，所述第三電極板為中心軸對稱的扇形形狀，所述第三電極板經中心軸由驅動電機驅動旋轉。
[0008]上述靜電場測量實驗儀，所述第二電極板上設有開口空缺部分，所述開口空缺部分與第三電極板的面積及形狀相同。
[0009]上述靜電場測量實驗儀，所述顯示部分為計算機，它與數據採集卡通過USB引線連接。
[0010]本實用新型利用第一電極板與第二電極板組成的平行板電容器產生所需要的均勻電場，在電場的作用下，第三電極板的輸出電壓與該點的電場強度成正比，經過放大和A/D轉換，直接顯示相應的電場值。利用這些參數，可以研究不同平行板電容器的電場電壓V、間距d或介質下的電場強度，並在計算機上描繪出電場的等勢面、電場強度曲線。
[0011]本實用新型結構簡單，完全能夠滿足靜電場測量的實驗教學要求，可廣泛應用於物理學、電磁學和電磁場等課程的實驗教學。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型電路示意圖；
[0013]圖2為靜電場測量原理圖。
[0014]圖中各標號清單為:1.第一電極板、2.第二電極板、3.第三電極板、4.計算機、
5.數據採集卡、W.電位器、G.正弦波信號發生器、A.功率放大器、T.升壓變壓器、N.運算放大器、M.電動機、C.濾波電容、R.電阻、Z.整流管。
【具體實施方式】
[0015]參看圖1，本實用新型是由電場產生部分、電場測量部分和顯示部分組成；其中，電場產生部分經電場測量部分後與顯示部分連接；電場產生部分包括正弦波信號發生器G、電位器W、功率放大器A、升壓變壓器T、第一電極板I和第二電極板2;所述正弦波信號發生器G的輸出端經電位器W與功率放大器A的輸入端連接；所述功率放大器A的輸出端接升壓變壓器T的初級線圈；所述升壓變壓器T的次級線圈經整流管Z後作為電源輸出端，並與濾波電容C連接；所述濾波電容C的正負極分別與第一電極板I和第二電極板2連接。
[0016]電場測量部分包括運算放大器N、數據採集卡5和第三電極板3 ;所述第三電極板3為中心對稱的雙扇形結構，其中心點與電動機M的曲軸連接；所述第三電極板3設置在第一電極板I和第二電極板2之間；所述運算放大器N的反相輸入端、同相輸入端分別與第二電極板2和第三電極板3連接，所述運算放大器N的輸出端與數據採集卡5的輸入端連接；所述數據採集卡5的輸出端與顯示部分連接。所述顯示部分為計算機。本實用新型靜電場電壓為直流電壓，幅度可在O?500V範圍內調節。而且，由於負載極板接近開路，使其幾乎不消耗電流，有效降低了功耗較。
[0017]本實用新型運算方式為:在第一電極板I和第二電極板2之間施加直流電壓U，設第一電極板I和第二電極板2的間距為h，則在第一電極板I和第二電極板2之間產生的靜電場為E=U/h，設第三電極板面積為S，旋轉角速度為ω，則極板第二電極板和第三電極板的相對面積發生周期性變化，忽略邊緣效應，它們之間產生交變電流為i= ε OES ω cNs (ω t)，式中ε O為空氣的介電常數，電流i經運算放大器N轉變為電壓信號u=iR，利用數據採集卡5和計算機4測量得到該電壓信號幅值，就可以反演確定待測靜電場E=um / (R ε OS ω)。式中um為u的幅值。
[0018]通過向第一電極板和第二電極板施加不同電壓等級的直流電壓，利用計算機4測量輸出電場值。下述為第二電極板和第三電機板間距為5mm,電機轉速3000轉/分鐘時的實驗測量記錄:
[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]經試驗，測量結果與理論計算結果誤差均在5%以內，說明實驗測量是成功的。
[0021]參看圖2，所述電阻R接於運算放大器N的同相輸入端和輸出端之間，用於將輸入的電流信號轉變為電壓信號。第一電極板I和第二電極板2構成平行板電容器,所述第一電極板和第二電極板均為直徑300mm,厚度2_的圓形招材板，用於產生靜電場，第二電極板和第三電極板構成探測極板，第二電極板為場產生與測量的公共電極，第三電極板是一個對稱的雙扇形鋁材可旋轉葉片，其中心點固定在12V直流電機M的軸上。另外，極板B上具有與極板C相同面積和形狀的開口，極板C每旋轉一周可以與極板B上的開口重合一次。
[0022]本實用新型所用的正弦波信號發生器G型號為ICL8038、功率放大器A型號為HFA-100、運算放大器N型號為LF3140、數據採集卡5型號為USB6210。
【權利要求】
1.一種靜電場測量實驗儀，其特徵在於:它由電場產生部分、電場測量部分和顯示部分組成，所述電場產生部分、電場測量部分與顯示部分依次電連接；所述電場產生部分包括正弦波信號發生器(G)、電位器(W)、功率放大器(A)、升壓變壓器(T)、整流管(Z)、第一電極板(I)和第二電極板(2);所述正弦波信號發生器(G)經電位器(W)及功率放大器(A)後與升壓變壓器(T)的初級線圈連接；所述升壓變壓器(T)的次級線圈經整流管(Z)後作為信號輸出端、並與第一電極板(I)電連接；濾波電容(C)接於信號輸出端上。
2.根據權利要求1所述靜電場測量實驗儀，其特徵在於:所述電場測量部分包括運算放大器(N)、數據採集卡(5)、第一電極板(I)、第二電極板(2)和第三電極板(3);所述第一電極板(I)、第二電極板(2)間隔配置，所述第三電極板(3)設置在第一電極板(I)和第二電極板(2)之間；所述運算放大器(N)的的同相輸入端連接第三電極板(3)，其反相輸入端經第二電極板接地，運算放大器的輸出端經數據採集卡(5)連接顯示部分。
3.根據權利要求2所述靜電場測量實驗儀，其特徵在於:所述第三電極板(3)為中心軸對稱的扇形形狀，所述第三電極板經中心軸由驅動電機驅動旋轉。
4.根據權利要求3所述靜電場測量實驗儀，其特徵在於:所述第二電極板(2)上設有開口空缺部分，所述開口空缺部分與第三電極板(3 )的面積及形狀相同。
5.根據權利要求4所述靜電場測量實驗儀，其特徵在於:所述顯示部分為計算機(4)，它與數據採集卡(5)通過USB引線連接。
【文檔編號】G09B23/18GK204010464SQ201420487371
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月27日 優先權日:2013年12月9日
【發明者】劉洋 申請人:華北電力大學（保定）