[发明专利]一种同心圆电极静电场模拟装置及使用方法

说明书

本发明公开了一种同心圆电极静电场模拟装置及使用方法，包括有底座、纵向移动机构、横向移动机构、探针机构、同心圆电极板，纵向移动机构包括有两条平行固定在底座两侧的纵向导轨，每条纵向导轨上分别滑动安装有一个纵向滑块，纵向导轨上还固定有纵向标尺；横向移动机构包括有一条横向导轨，横向导轨的两端分别固定在一个纵向滑块上，横向导轨上滑动安装有一个横向滑块，横向导轨上还固定有横向标尺；探针机构固定在横向滑块上；同心圆电极板固定在底座的中心位置；探针机构可在移动范围内实现纵向、横向的自由移动并进行数据测量。本发明提高了仪器使用的稳定性和可靠性。

技术领域：

本发明涉及实验教学仪器领域，具体涉及一种同心圆电极静电场模拟装置及使用方法。

背景技术：

了解和掌握带电体周围静电场分布，对于某些科学研究和工程技术十分重要，但一般难以对静电场分布用理论方法进行计算，用仪表直接测量也相当困难，静电场的测量一般采用模拟法，利用稳恒电流场模拟静电场，通过测量恒定电流场中的电势分布来确定静电场的电势分布。在大学物理实验课程中，“静电场的模拟法描绘”实验属于基础性实验，仪器使用人数和使用频率非常高，根据教材要求和课程安排，在教学实践中同心圆电极结构使用最为广泛。

用稳恒电流场模拟静电场，要建立稳恒电流场，采用良导体做成电流场的电极，而用电阻率远大于电极电阻率的不良导体充当导电质，如导电微晶、自来水、稀硫酸铜溶液等，实际应用中的实验仪器，水槽式模拟静电场测绘仪和导电微晶静电场描绘仪比较常见。

水槽式模拟静电场测绘仪基本结构大体为方形水槽，每个水槽内放置一套金属电极，在槽底开孔固定电极位置，并与槽外电路连接。实验时水槽注入自来水作为电介质，置于测量架上，通常以双层探针作为测量、记录的工具。水槽式模拟静电场测绘仪在使用中暴露了一些问题，如水槽结构未设计水平调节装置，实验时不能将水层调平，不能保证导电介质的电导率处处均匀，因此会形成很大的测量误差；双层探针定位由于其结构特点及不可避免的制造误差，也会给测量增加较大误差；尽管已采取防漏措施，仪器使用一段时间后，电极的穿孔处仍经常发生漏水现象，且存在水对金属零件的腐蚀问题；水槽内金属电极的类型和相互位置，一经确定即不能变化，缺乏使用的灵活性等等。

导电微晶静电场描绘仪避免了较多水槽式仪器的问题，采用导电微晶作为不良导体，采用同步探针进行数据采集，测量探针与导电微晶板保持接触实现电路连通，移动同步探针找到符合要求的电位点，利用记录探针记录完成数据采集。由于结构简单操作方便，被广泛采用。但该种仪器在长期使用后也暴露出一些缺陷：测量探针与电极板理想状态应是点接触，但由于工艺实现困难并防止使用时折断，测量探针通常采用直径2mm左右的黄铜棒材，探针端部加工成带尖的结构，仪器使用时为了使测量探针与导电介质稳定接触，会用力按压测量接触装置，还需用测量探针来回划动以找到所需电位点的位置，当仪器使用一段时间后，测量探针的尖端部分会被逐步磨损成一个凹凸不平的面，同时接触面积会增大，导致测量读数的时候，显示屏上的读数不稳定，上下浮动，从而在测量时找到了错误的等位点，使描绘图像出现较大误差；测量探针磨损后，探针高度降低，使得实验过程中测量探针和记录探针的同步性受到影响，即磨损后上下两个探针在同一铅锤面的要求不能保证，使得测量误差变大；同步探针结构会引入误差，同步探针由底座、手柄和连接片等金属支架配合测量探针、螺母等组成，由于同步探针长期暴露于空气中，测量探针与连接片的接点容易生锈，导致电路接通状态的不稳定，同时因为铁锈的影响，导致电阻变大，使测量值偏离真实值，严重影响实验结果；此外，同步探针与仪器主体彼此独立、相互分离，对放置平台要求较高。

发明内容：

本发明想要解决的技术问题是：

1、创新设计产品结构，将探针移动与测量、记录结构集成到一起，采用测量探针与记录探针同轴结构，缩短测量回路，降低测量手臂接触电阻，消除仪器本身导致的取点误差，提高数据测量精度；

2、利用导电微晶而不是水作为不良导体制作电极板，避免水槽式模拟静电场仪器的诸多问题；