[发明专利]一种基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器

说明书

本发明公开了一种基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器，包括二维坐标孔板、自动记录数字电压表、稳压稳流直流电压、直流电源、待测模拟场、探针，所述二维坐标孔板与待测模拟场固定连接，所述稳压稳流直流电压给待测模拟场供电，所述探针相连的导线接直流电源电压表的+接线柱，直流电源电压表的‑接线柱与稳压稳流直流电压的负极相连，所述自动记录数字电压表探测端的信号输入端与探针相连，自动记录数字电压表探测端的地与直流电源的负极连接，选择直流电源的负极作为零电势参考点。本发明能适用于各种不同的电介质，测量结果准确，能自动记录数据、方便、快捷、形象直观，成本低，容易进行大规模推广。

技术领域

本发明属于电工电子测量设备领域，具体涉及一种基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器。

背景技术

静电场描绘是国内外高等院校普遍开设的物理实验，目前中学也开设此实验，由于直接描绘静电场存在很大困难，而稳恒电流场在导体中的分布规律—电流强度与电势差的分布规律和静电场中场强与电位差的分布规律可以用相同的数学关系式表达，所以通常是用稳恒电流场来模拟静电场。目前的静电场描绘仪按照导电介质的不同可分为：导电纸静电场描绘仪、电解液静电场描绘仪、导电玻璃静电场描绘仪和导电微晶静电场描绘仪，其中第一种是采用涂有石墨的导电纸作为电介质，通过探针和定位针，实现定量记录和数据分析；第二种是用水来代替导电纸作电介质，方法是在一个透明的有机玻璃水槽中固定电极，然后在水槽中装上适量的水，放到实验架的下层进行实验；第三种是用导电薄膜作电介质；第四种是用导电微晶作电介质。

用导电纸作电介质存在的缺陷有：(1)导电纸上导电薄层涂得不均匀，导电纸电阻在各个方向均匀性较差，这样电流场分布与被模拟静电场分布不完全一样，使得实验准确度、重复性较差；(2)电极与导电纸的接触不均匀，探针与导电纸的接触会因人、因次数而异，使得接触电阻不稳定，影响描绘结果；(3)测量时，探针在导电纸上接触移动且重复接触，使得导电纸破损，这样一方面直接影响导电纸的导电性能，影响实验效果，另一方面影响导电纸的使用寿命，频繁更换导电纸，加大了实验成本；用导电玻璃作电介质来代替导电纸作电介质的缺点是导电玻璃价格贵，且导电玻璃易损坏；用导电微晶作电介质是目前最好的选择，用导电微晶不存在用导电纸、电解液、导电玻璃所存在的各种弊端，所以，用导电微晶作电介质的静电场描绘仪逐步普及开来。虽然用水来代替导电纸作电介质存在一定的缺陷，如：(1)水电解产生气泡附在电极表面，(2)水分子极化，产生束缚电荷影响模拟场，(3)需要换水，且水量对模拟效果有影响，但是，由于水价格便宜，便于取材，因此，用水做电解质进行静电场描绘的仍占有相当比例。

按结构不同可分为双层描绘仪和单层描绘仪两种，目前很多高校实验课所用的静电场描绘仪大都使用双层结构的描绘仪来描绘模拟静电场，现有仪器连接上下两探针的固定手柄座质量较大，与实验台的摩擦力很大，在移动时很难控制它的移动位置，尤其是从静止到运动的瞬间和当电压表读数很接近参考待测位置电压而需要微小调节时，很难控制准确，因而导致误差较大，影响实验效果，增加了实验的难度。此外，双层结构的描绘仪容易产生“不同轴误差”，当上下两层的探针不在同一轴线上，如果描绘时没有转动，所得到的静电场分布可以说是被测电场的平移，但是，要求描绘时没有转动是很困难的，有转动时，在坐标纸上所描的等位点，就会与实际电场分布情况之间存在误差，即“不同轴误差”。

传统静电场描绘仪在描绘静电场时，先要寻找等位点，而寻找等位点的方法是用伏特表通过描绘探针在被测电场范围内逐处测量，边找边观察伏特表的读数，当伏特表的读数为设定值时，停下探针，然后将该点标记在坐标纸上。这种人工寻点的方法效率很低，虽然近年来出现了一些全自动静电场描绘仪，但这些全自动静电场描绘仪一般要使用步进电机，采集卡和丝杆导轨等，还要编写相关的软件，因此很难大规模推广。因此，有必要开发一种新的静电场描绘仪器，它要适用于各种不同的电介质，测量结果准确，能自动记录数据、方便、快捷，形象直观，成本低，在最终的设计中，我们将设计出一款基于二维坐标孔板的静电场等势线描绘器，它解决了上述所有的问题。

发明内容