两臂式静电场测试笔

张　岩　王素红　张胜海

(信息工程大学,河南 郑州　450001)



物理实验

两臂式静电场测试笔

张岩王素红张胜海

(信息工程大学,河南 郑州450001)

利用导电微晶静电场描绘仪模拟静电场分布时，先利用单臂测试探针找到等势点，然后通过数条纹格数的方法确定该等势点的位置，该方法导致实验效率低和测量精度低.为解决这个问题，根据圆规的工作原理，研制了两臂式静电场测试笔.该测试笔一臂为测量臂，另一臂为定位臂.试验时，利用测量臂测出等势点的位置，再利用两臂之间的距离确定等势点的位置，最后利用圆规式定位法确定该等势点在坐标纸上的位置.该测试笔不仅能极大地提高测量精度和实验效率，而且还具有适用范围广、试验成本低和制造成本低的优点.

单臂测试探针;两臂式测试笔;圆规式定位法

电场强度和电势是描述静电场分布的两个基本物理量，但是这两个量的直接测量很困难，所以实验中常根据静电场和电流场具有相同数学方程的特点，利用电流场的分布模拟静电场的分布.首先利用电流场模拟出静电场的等势面，再根据电场线与等势面处处正交的特点做出电场线，整个电场分布就可以用几何图形清楚地表示出来.目前普通物理实验中广泛使用的静电场描绘仪都存在着一些弊端[1-3]，本文针对我校使用的导电微晶静电场描绘仪测量精度低、效率低的弊端进行改进，改进后的描绘仪在确保实验高精度、高效率的同时，还极大地降低了实验成本.

1　GVZ-4型导电微晶静电场描绘仪的缺点

图1　GVZ-4型导电微晶静电场描绘仪

GVZ-4型导电微晶静电场描绘仪(图1)是一种便携式导电微晶静电场描绘仪[4]，包括箱体，电控器和两块导电微晶，其中第一块导电微晶上设置同心圆电极和平行导线电极，第二块导电微晶上设置劈尖形电极和聚焦电极.同心圆电极上印有极坐标；平行导线电极、劈尖形电极和聚焦电极上均印有平面直角坐标.实验用坐标纸有两类，一类纸上印有极坐标，另一类纸上印有平面直角坐标.纸质坐标和电极上坐标可以完全重合.

试验时，利用单臂测试探针测量出等势点C(或D)后，以电极A(或B)为参考原点，利用数坐标线条数的方法确定其在导电微晶上的位置(图2)，然后在坐标纸上确定出电极A(或B)的位置，以相同的电极为参考原点，数出相同的坐标线条数确定C(或D)在坐标纸上的位置(见图3).

图2　测量平行导线电极的等电势点

图3　在坐标纸上标示出等势点

该过程存在以下几个问题：

(1) 通过沿x(水平)和y(竖直)两个方向数坐标线条数确定等势点C(或D)的位置，耗时长且容易数错；

(2) 数坐标线过程中，单臂测试探针的位置容易滑动，还需要重新寻找等势点C(或D)；

(3) 当等势点为D(非x向和y向坐标线的交点)时，在导电微晶上和在坐标纸上确定D点位置均需要估读，会有两次估读误差；

(4) 长期使用时，单臂测试探针针头与导电微晶相摩擦，不仅损伤导电微晶，且使探针针头变粗，使测量的等势点为一个面，引入测量误差.

可以看出，该描绘仪测量精度低、耗时长的原因是由于单臂测试探针测量出等势点后，利用数坐标线条数的方法确定其位置引起的.为解决这个问题，仿照圆规的工作原理，设计两臂式静电场测试笔代替单臂测试探针，利用两臂之间的距离代替数坐标线条数确定等势点相对参考原点的位置.

2　两臂式静电场测试笔的结构及工作原理[5]

两臂式静电场测试笔的外形似圆规，有电控器连接线1、测量臂2和定位臂4三个部分构成，见图4.

图4　两臂式静电场测试笔结构图

测量臂2末端的测量探针3为铅芯，铅芯较细，可使测量的等势点为导电微晶上的一个点；铅芯较软，测量探针在导电微晶上滑动寻找等势点的过程中不会划伤导电微晶；铅芯的长度可随时调整且更换方便.测量探针的作用有两个：测量等势点的电压和在坐标纸上画弧.

定位臂4末端的定位针5的材质为钢，考虑到长期使用时定位针磨损变粗，影响定位精度，定位针可更换且更换方便.定位针的作用是定位于参考原点.

试验时,将电控器连接线1连接到电控器上，利用测量探针3测出等势点后，将定位针5拉到参考原点，利用测量探针与定位针之间的距离确定等势点相对参考原点的位置.按如下所述的圆规式定位法确定该等势点在坐标纸上的位置，具体做法如下(图5)：

图5　在坐标纸上标示出等势点

(1) 根据导电微晶上电极A和B的位置(图2)，在坐标纸上确定两电极的对应位置A′和B′；

(2) 用测量探针3在导电微晶上寻找到等电势点C(或D)；

(3) 固定测量探针3在C点(或D)点，拉开定位针5到电极A处；

(4) 保持测量探针3与定位针5的间距R1不变，在坐标纸上，以电极A′为圆心，R1为半径，画弧；

(5) 固定测量探针在C点(或D)点，拉开定位针到电极B处；

(6) 保持两针间距R2不变，在坐标纸上，以电极B′为圆心，R2为半径，画弧；

(7) 两弧交点即为等势点C(或D)在坐标纸上的位置.

按照上述方法在坐标纸上确定若干等势点后，连接起来就可得到等势线，再根据电场线与等势面处处正交的特点做出电场线，就得到电场分布情况.

3　两臂式静电场测试笔的优点

两臂式静电场测试笔在测量探针测出等势点后，利用圆规式定位法确定该等势点的位置，不仅极大地提高了测量精度和实验效率，而且还具有如下几个优势：

(1) 无需专用坐标纸，降低了实验成本.利用圆规式定位法确定等势点时，可以在任意一张白纸上绘制出等势曲线，无需购买专用的坐标纸，降低了实验成本；

(2) 无需在导电微晶上绘制坐标线，减少了制造工艺，在提高制造精度的同时，也降低了生产成本；

(3) 适用范围广，可描绘任意形状带电体的电场分布.利用两臂式静电场测试笔描绘静电场时，由于无需在导电微晶上绘制坐标线，也无需专用坐标纸，所以就无需事先知道带电体的静电场分布情况，因而可以绘制任意形状带电体的电场分布.

实践表明，利用两臂式静电场测试笔绘制静电场速度快、精度高、适用范围广、实验成本低，可以为学生节省大量的时间，使学生在有限的时间内可以从事更多的实验探索，能极大激发学生的学习热情和兴趣.

[1]代伟.静电场描绘仪的改进[J].大学物理实验,2011,24(3):42-44.

[2]徐荣,赵保明.“模拟静电场”实验中描绘仪的改进[J].大学物理实验,1977,10(4):22-24.

[3]黄小舟,张灵辉,温建平,等.导电微晶静电场描绘仪的改进[J].广西物理,2014,35(2):28-31.

[4]王素红,张胜海,王荣.大学物理实验[M]. 北京:国防工业出版社,2014:48-51.

[5]张岩,王素红,张胜海.静电场实验笔及使用该实验笔的导电微晶静电场描绘仪:中国,ZL201220488565.5[P],2013,03,13.

■

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

张岩，女，讲师，主要从事物理实验教学与科研工作.zhangyanhuanglei@126.com

文章说明: 该设计已获得实用新型专利，专利号为：ZL201220488565.5.

引文格式: 张岩，王素红，张胜海. 两臂式静电场测试笔[J]. 物理与工程，2016，26(3)：26-28.