兩臂式靜電場測試筆

張　巖　王素紅　張勝海

(信息工程大學,河南 鄭州　450001)

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物理實驗

兩臂式靜電場測試筆

張巖王素紅張勝海

(信息工程大學,河南 鄭州450001)

利用導電微晶靜電場描繪儀模擬靜電場分布時，先利用單臂測試探針找到等勢點，然后通過數條紋格數的方法確定該等勢點的位置，該方法導致實驗效率低和測量精度低.為解決這個問題，根據圓規的工作原理，研制了兩臂式靜電場測試筆.該測試筆一臂為測量臂，另一臂為定位臂.試驗時，利用測量臂測出等勢點的位置，再利用兩臂之間的距離確定等勢點的位置，最后利用圓規式定位法確定該等勢點在坐標紙上的位置.該測試筆不僅能極大地提高測量精度和實驗效率，而且還具有適用范圍廣、試驗成本低和制造成本低的優點.

單臂測試探針;兩臂式測試筆;圓規式定位法

電場強度和電勢是描述靜電場分布的兩個基本物理量，但是這兩個量的直接測量很困難，所以實驗中常根據靜電場和電流場具有相同數學方程的特點，利用電流場的分布模擬靜電場的分布.首先利用電流場模擬出靜電場的等勢面，再根據電場線與等勢面處處正交的特點做出電場線，整個電場分布就可以用幾何圖形清楚地表示出來.目前普通物理實驗中廣泛使用的靜電場描繪儀都存在著一些弊端[1-3]，本文針對我校使用的導電微晶靜電場描繪儀測量精度低、效率低的弊端進行改進，改進后的描繪儀在確保實驗高精度、高效率的同時，還極大地降低了實驗成本.

1　GVZ-4型導電微晶靜電場描繪儀的缺點

圖1　GVZ-4型導電微晶靜電場描繪儀

GVZ-4型導電微晶靜電場描繪儀(圖1)是一種便攜式導電微晶靜電場描繪儀[4]，包括箱體，電控器和兩塊導電微晶，其中第一塊導電微晶上設置同心圓電極和平行導線電極，第二塊導電微晶上設置劈尖形電極和聚焦電極.同心圓電極上印有極坐標；平行導線電極、劈尖形電極和聚焦電極上均印有平面直角坐標.實驗用坐標紙有兩類，一類紙上印有極坐標，另一類紙上印有平面直角坐標.紙質坐標和電極上坐標可以完全重合.

試驗時，利用單臂測試探針測量出等勢點C(或D)后，以電極A(或B)為參考原點，利用數坐標線條數的方法確定其在導電微晶上的位置(圖2)，然后在坐標紙上確定出電極A(或B)的位置，以相同的電極為參考原點，數出相同的坐標線條數確定C(或D)在坐標紙上的位置(見圖3).

圖2　測量平行導線電極的等電勢點

圖3　在坐標紙上標示出等勢點

該過程存在以下幾個問題：

(1) 通過沿x(水平)和y(豎直)兩個方向數坐標線條數確定等勢點C(或D)的位置，耗時長且容易數錯；

(2) 數坐標線過程中，單臂測試探針的位置容易滑動，還需要重新尋找等勢點C(或D)；

(3) 當等勢點為D(非x向和y向坐標線的交點)時，在導電微晶上和在坐標紙上確定D點位置均需要估讀，會有兩次估讀誤差；

(4) 長期使用時，單臂測試探針針頭與導電微晶相摩擦，不僅損傷導電微晶，且使探針針頭變粗，使測量的等勢點為一個面，引入測量誤差.

可以看出，該描繪儀測量精度低、耗時長的原因是由于單臂測試探針測量出等勢點后，利用數坐標線條數的方法確定其位置引起的.為解決這個問題，仿照圓規的工作原理，設計兩臂式靜電場測試筆代替單臂測試探針，利用兩臂之間的距離代替數坐標線條數確定等勢點相對參考原點的位置.

2　兩臂式靜電場測試筆的結構及工作原理[5]

兩臂式靜電場測試筆的外形似圓規，有電控器連接線1、測量臂2和定位臂4三個部分構成，見圖4.

圖4　兩臂式靜電場測試筆結構圖

測量臂2末端的測量探針3為鉛芯，鉛芯較細，可使測量的等勢點為導電微晶上的一個點；鉛芯較軟，測量探針在導電微晶上滑動尋找等勢點的過程中不會劃傷導電微晶；鉛芯的長度可隨時調整且更換方便.測量探針的作用有兩個：測量等勢點的電壓和在坐標紙上畫弧.

定位臂4末端的定位針5的材質為鋼，考慮到長期使用時定位針磨損變粗，影響定位精度，定位針可更換且更換方便.定位針的作用是定位于參考原點.

試驗時,將電控器連接線1連接到電控器上，利用測量探針3測出等勢點后，將定位針5拉到參考原點，利用測量探針與定位針之間的距離確定等勢點相對參考原點的位置.按如下所述的圓規式定位法確定該等勢點在坐標紙上的位置，具體做法如下(圖5)：

圖5　在坐標紙上標示出等勢點

(1) 根據導電微晶上電極A和B的位置(圖2)，在坐標紙上確定兩電極的對應位置A′和B′；

(2) 用測量探針3在導電微晶上尋找到等電勢點C(或D)；

(3) 固定測量探針3在C點(或D)點，拉開定位針5到電極A處；

(4) 保持測量探針3與定位針5的間距R1不變，在坐標紙上，以電極A′為圓心，R1為半徑，畫弧；

(5) 固定測量探針在C點(或D)點，拉開定位針到電極B處；

(6) 保持兩針間距R2不變，在坐標紙上，以電極B′為圓心，R2為半徑，畫弧；

(7) 兩弧交點即為等勢點C(或D)在坐標紙上的位置.

按照上述方法在坐標紙上確定若干等勢點后，連接起來就可得到等勢線，再根據電場線與等勢面處處正交的特點做出電場線，就得到電場分布情況.

3　兩臂式靜電場測試筆的優點

兩臂式靜電場測試筆在測量探針測出等勢點后，利用圓規式定位法確定該等勢點的位置，不僅極大地提高了測量精度和實驗效率，而且還具有如下幾個優勢：

(1) 無需專用坐標紙，降低了實驗成本.利用圓規式定位法確定等勢點時，可以在任意一張白紙上繪制出等勢曲線，無需購買專用的坐標紙，降低了實驗成本；

(2) 無需在導電微晶上繪制坐標線，減少了制造工藝，在提高制造精度的同時，也降低了生產成本；

(3) 適用范圍廣，可描繪任意形狀帶電體的電場分布.利用兩臂式靜電場測試筆描繪靜電場時，由于無需在導電微晶上繪制坐標線，也無需專用坐標紙，所以就無需事先知道帶電體的靜電場分布情況，因而可以繪制任意形狀帶電體的電場分布.

實踐表明，利用兩臂式靜電場測試筆繪制靜電場速度快、精度高、適用范圍廣、實驗成本低，可以為學生節省大量的時間，使學生在有限的時間內可以從事更多的實驗探索，能極大激發學生的學習熱情和興趣.

[1]代偉.靜電場描繪儀的改進[J].大學物理實驗,2011,24(3):42-44.

[2]徐榮,趙保明.“模擬靜電場”實驗中描繪儀的改進[J].大學物理實驗,1977,10(4):22-24.

[3]黃小舟,張靈輝,溫建平,等.導電微晶靜電場描繪儀的改進[J].廣西物理,2014,35(2):28-31.

[4]王素紅,張勝海,王榮.大學物理實驗[M]. 北京:國防工業出版社,2014:48-51.

[5]張巖,王素紅,張勝海.靜電場實驗筆及使用該實驗筆的導電微晶靜電場描繪儀:中國,ZL201220488565.5[P],2013,03,13.

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TWO ARMS ELECTROSTATIC FIELD TEST PEN

Zhang YanWang SuhongZhang Shenghai

(The PLA Information Engineering University, Zhengzhou, Henan 450001)

Low efficiency and low accuracy are caused by using the one arm test pen to depict the electrostatic field distribution. To solve the problem, the two arms test pen is developed according to the working principle of compasses. One arm of this test pen has the function of testing the equal potential, and the other of it has the function of location. In the experiment, firstly use the measurement arm to get the position of the equipotential point. And then verify the location of the equipotential point by the distance of two arms. Finally, determine the equipotential points on the graph paper and depict the electrostatic field distribution by the compass positioning method. This two arms test pen have many advantages consisting of the higher efficiency and the higher precision, the wider application, the lower experimental cost and lower instrument manufacturing cost.

one arm test pen; two arms test pen; compass positioning method

2015-12-05;

2016-02-23

張巖，女，講師，主要從事物理實驗教學與科研工作.zhangyanhuanglei@126.com

文章說明: 該設計已獲得實用新型專利，專利號為：ZL201220488565.5.

引文格式: 張巖，王素紅，張勝海. 兩臂式靜電場測試筆[J]. 物理與工程，2016，26(3)：26-28.