[发明专利]全自动导电微晶静电场描绘仪及其使用方法

说明书

本发明涉及一种全自动导电微晶静电场描绘仪及其使用方法，属于物理实验教学设备领域。该系统采用单片机为核心控制单元，加上A/D模块、上位机、步进电机驱动器、步进电机、舵机，实现导电微晶模拟场电势数据的自动采集和存储功能。本发明消除了不同轴误差，利用触摸屏设定测量数据的行数、列数、测量范围、探针伸缩长度；由单片机控制第一和第二步进电机，实现探针的逐行扫描；利用STM32控制舵机的转动，控制探针的升起和落下；通过A/D模块将探针的模拟电势值转化为数字量供单片机采集，并发送给上位机进行显示和存储。实现了探针的自动扫描、自动升降和电压数据的采集和存储，适合不同电介质静电场描绘实验，特别适用于导电微晶静电场描绘实验。

技术领域

本发明属于物理实验教学设备技术领域，具体涉及一种全自动导电微晶静电场描绘仪及其使用方法。

背景技术

静电场描绘实验是传统的电磁学实验，因为直接测量静电场的分布非常困难，所以实验中常采用以稳恒电流场模拟静电场的方法来间接测量静电场的分布情况。

目前静电场描绘实验中，采用导电纸、自来水及表面导电玻璃等材料作为产生稳恒电流场的导电介质。不同导电介质的均匀性、寿命、介质与电极接触情况不同，导致测量的准确度也不同。

水做电介质：

用水做电介质，优点是取材方便，成本低。但是，水做电介质存在如下问题：

1. 水碱附着物

一个原因是内外电极表面产生水碱等附着物，有些地区水中含碱量很大，当直接使用这些水作电极之间的导电介质时，而实验完毕后水虽然倒掉而又不擦干的话，余下粘滞在容器及电极表面的水蒸发后产生水碱等杂质，久而久之，杂质越积越厚，电极表面就复盖了一层电阻层。该电阻层上将产生电压降，影响了测量结果。

2. 水的电解的影响

水是弱电解质, 能电离成 H⁺ 和 OH ^- 离子, 在外加直流电源的作用下， H⁺ 向阴极移动， OH ^- 向阳极移动，到达电极后部分离子要电解产生氢气和氧气，这些气体以气泡的形式附着在内外电极表面。由于这些气泡的存在,，使内、外电极表面区域就偏离了模拟条件。另外产生的氧气会使阳极表面逐渐氧化覆盖上氧化层，而氧化层的电阻率与水不同，使阳极附近更偏离模拟条件。再者未电解的H⁺和OH ^-会产生与外加电压方向相反的反电压，也会破坏模拟条件。

3. 水分子极化的影响

水分子是有极分子，在外电场作用下不仅要产生电子位移极化，还要产生取向极化，其中取向极化的效应比电子位移极化要强得多，两种极化都使水介质的端面即内外电极表面出现束缚电荷(其中内电极表面出现负束缚电荷，外电极表面出现正束缚电荷)，束缚电荷要在水介质内产生与外加电场方向相反的附加电场，因此也破坏了模拟条件。

4.水槽中充放电效应的影响

内外电极和探针都为导体，而水为电介质，故任意两导体间均会构成电容器，其电容经测量为微法的数量级。当探针P放在水介质中某一位置测量其电位时，发现某一点电位随时间会增大或减少，说明电容器在充电或放电，这样会使测量无法进行。

此外，利用水做电介质，测试过程中容易出现漏水、打翻水槽等问题，沾湿桌面、书本、手机等。综合以上分析可知，当用水作导电介质时, 用稳恒电流来模拟静电场所带来的误差是很大的。

导电纸做电介质：