多功能静电场描绘仪的改进

０ 前 言
在 大学物理 教学 实 验 中 ， 电场 描 绘主 要 采用 双 层 电场 扫 描 仪 静 和单层静 电场 描绘 仪两 种 描 绘仪 。双层 静 电 场描 绘 仪 如 图 １所示 ，
具 有上下 两层 垫 板 。其 中 上 垫 板铺 有 坐 标 纸 ， 垫 板 铺 有 导 电纸 。 下 以涂有石 墨 的导 电纸 作为 电介 质 ， 过探 针 和定 位针 ， 通 实现 定 量记 录 和数据分 析 。 单层 静 电场 描绘 仪 如 图 ２所 示 ， 是单 层 结 构 。该 描 绘 仪 采 用水 位导 电介质 ， 法是在 一个透 明 的有 机玻 璃水槽 中 固定 电极 ， 后在 方 然 水槽 中装上 适量 的水 ， 利用探 针 ， 空间 中某 点 电势进行 检测 ｊ 对 。
所要测量的金属导体。水槽上分别安装有 万能转 向接 头和 固定轴， 用于安装探 针 固定杆 和 固定导体 。在水槽 两端 分别装有可 以绕 着固定轴旋转的金 属连杆 ， 配合圆形水槽 ， 属连杆 可用于复杂 形状金属体 的 固定并完成其静 电 金 场的描绘 ， 并可提 高实验 的检测精度 。 关键词 －静 电场描 绘仪 ；多功 能；复杂形状 ；精 度 中图分类号 ：Ｔ ２ Ｈ１２ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１７ －１ｘ ２０ ） １ ） ２０ ６ ２６ ２ （０９ １４０ －３ ３
图 ２ 单层 静 电场 描 绘 仪 结 构 示 意 图
Ｆｇ ２ Ｔ ｅ ｓ ｅｃ ｐ ｏ ｎ ａ ｅ ｔｔ ｉ． ｈ ｋ ｔｈ ｍ ｆ ｅ ｌｙ ｒ ｓａｉ ａ ｏ ｓ ｃ ｅｅ ｔ ｃｆ ｌ ｉ ｌｔｒｓ ｕ ｔｒ ｌ ｒ ｉ ｄ ｓ ｃ ｉ ｅ ｍｕａｏ ｔ ｃｕ ｅ ｒ
旦
ｕ ＝ｕ 。 。
ａ
（） １
１探 针 ； ２导 电板 ； 柱 ； ３铜 ４铜 环 ：
５有 机 玻璃 水 槽 ； ６接线 Nhomakorabea柱 公式 （ ） ， 圆环 的半 径 ， １ 中 ｂ为 ａ为铜 柱 的半 径 ， 为探 针 检 测 ｒ 点 与 圆环 中心 的距 离 ， ａ为两极 间的 电势差 ，ｒ ｕ ｕ 为测 试点 与 圆环 之 间 的电势差 ｊ 。
１中心电极 ； ２探针 ； ３外环形电极； ４坐标纸 ； ５上垫板 ； ６探针手柄 ； ７下垫板； ８接线柱
１静 电场 描 绘 仪理 论 依 据
无 论是 采用 坐标 纸 为介 质或 者 是 水 为介 质 ， 种静 电场 描绘 仪 两 都是 利用均 匀 导 电介 质 内部 的 电流 场 来 模 拟 静 电 场 的 电位 分 布 规 律 。导 电介 质 中稳 恒 电 流场 和真 空 中静 电场 的 电势 都 满足 拉 普 拉斯 方程 。给定边 值 的拉 普拉斯 方 程有 唯一 解 ， 果这 两 种场 如 处于相 同的边 值条 件下 ， 它们 的解是 相 同的 。 则 以模拟 长 同轴 电缆 内静 电场 为例 ， 用 圆柱 电极 和 圆 环 电 采
极， 有： 则
图 １ 双 层静 电场 描 绘仪 结构示意 图
Ｆ ｇ １ Ｔ ｅｓ ｅｃ ａ ｆ ｏ ｂ ｅ ｌｙ ｒ ｔｔ ｉ ． ｈ ｋ ｔｈ ｍ ｐ ｏ ｕ ｌ ａ ｅ ｓｓａｉ ｄ ｃ
ｅｅ ｔｉ ｌ ｄ ｓｍｕａｏ ｔｕ ｔｒ ｌｃｒｃ ｆ ｌ ｉ ｌｔｒｓｒ ｃｕ ｅ ｉ ｅ
收 稿 日期 ：０ ９０ －０ ２ ０ －７２ 作 者 简 介 ： 文广 （９ ５一 ） 男 ， 林 １８ ， 助教 ， 主要 研 究 方 向 ： 械 设 计 。 机
第 １ 期 ｉ
林文广等： 多功能静电场描绘仪的改进
・ ３・ ３
２ 存 在 的 不足
２ １ 不 能适 用 于复 杂形状 电场 线 的描 绘 ．
图 ３ 复 杂 形 状 电场 线 的描 绘 示 意 图
Ｆ ｇ ３ Ｃｏ ｌ ｘ ｓａｉ ｌ ｃｒ ｅ ｄ ｓｍｕａ ｏ ｉ． ｍｐ ｅ ｔｔ ｅ ｅ ｔｉ ｆ ｌ ｉ ｌｔ ｒ ｃ ｃｉ
对于 双层 静 电场描 绘仪 ， 先 由于其 上下两 根探 针 是 固定 在探 针 手 柄 上 ， 两 根 探针 中心距 离 固定 手 首 且 柄 的长度 是 固定 的 ， 以探针 只 能探测 到其 固定 半径 圆周上 的点 ， 法对 图 ３所 示 的电场 进 行探 测 及 电场 所 无 线进行模拟描绘。其 次是由于金属体 的两端需要分别连接 电源的两极 ， 而双层静电场描绘仪并无固定金 属导 体及 相应 的导 电装 置 。图 ２所示 的单层静 电场 描绘 仪 也无 固定 复杂 形状 金属 导体 的装 置 ， 故也不 适用
２０ ０ ９年 １ 月 １
２ ８券 第 １ １
绵 阳师 范 学 院 学 报
Ｊ ｕｎｌｏ ａ ｙ ｎ ｒ ｌＵ ｉｅｓ ｏｒ ａ ｆＭｉｎ ａ ｇＮｏｍａ ｎｖ ｒｉ
ＮＯ ． ０Ｏ Ｖ２ ９ Ｖｏ ． Ｎｏ． １ １２８ １
多功 能 静 电场描 绘仪 的改进
林文广 ， 李惠杉
（ 福建师范大学福清分校 电信系 ， 福建福清 ３０ ０ ） ５ ３０
摘
要 ：针对 实验室普遍使 用的几种静 电场描绘仪的不足 ， 改进并设计 出一种 多功能静 电场描绘仪 。该描绘
仪 在单层静 电场描绘仪结构的基础上 ， 也利用水为介质 ， 圆形水槽 作为整个描绘仪 的底座 ， 其 同时 用于放置 实验 时
（ ）模拟不 波管 内聚焦 电极 间静 电场描绘 ａ （ ）Ｓａｉ ｅｅｔｃｆｌ ｉ ｌｏ ｆ Ｒ ａ ｔｔ ｌｃｒ ｅ ｓ ａ ｒ Ｔ ｃ ｉ ｉ ｄ ｍｕ ｔ ｏ Ｃ
（ ）速 度场 的模拟 ｂ （ ）Ｖ ｌ ｉ ｆ ｉｄｓ ｌｏ ｂ ｅｏ ｔ ｏ ｎ ｉ ａ ｒ ｃｙ ｗ ｍｕ ｔ
复 杂 电场线 的描 绘包 括模 拟示 波 管 内聚焦 电极 间静 电场 描绘 （ 图 ３ ａ 如 （ ）所 示 ） 模 拟 速度 场 描绘 （ ， 如 图３ｂ （ ）所示 ） 等。由于所测对象的形状复杂 ， 对于此类静电场的描绘 ， 则需要可以灵活移动的导电装置分 别 连接 复杂 导体 的两 端 以产生 电势 差 。