三点式静电场测试笔

张　岩，王素红，张胜海，王　荣

(信息工程大学 理学院,河南 郑州 450001)



三点式静电场测试笔

张岩，王素红，张胜海，王荣

(信息工程大学 理学院,河南 郑州 450001)

摘要：针对GVZ-4型导电微晶静电场描绘仪测量精度差和实验效率低的弊端，研制了三点式静电场测试笔. 该三点为测试点、动定位点和静定位点. 在导电微晶上进行测量时，将动定位点和静定位点放于参考点，测试点测出电势点位置后，这三点构成一个稳定的三角形. 在没有形变的情况下，将动、静定位点放于纸上相应的参考点，测试点的位置随之而定，该点就是等势点. 利用三点式静电场测试笔进行测量，不仅能提高测量精度和实验效率，而且可以降低实验成本及制造成本低.

关键词：静电场；三点式测试笔;测试点;动定位点;静定位点

模拟法描绘静电场是大学物理实验的一个基础性实验. 该实验根据静电场和稳恒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. 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]，本设计针对GVZ-4型导电微晶静电场描绘仪测量精度差、效率低的弊端进行了改进，改进后的描绘仪在确保实验高精度、高效率的同时，还降低了实验成本.

1GVZ-4型导电微晶静电场描绘仪的缺点

GVZ-4型导电微晶静电场描绘仪(如图1所示)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2块导电微晶. 导电微晶上共有4种电极和2类平面坐标， 导电微晶上的平面坐标可以与坐标纸上的平面坐标完全重合.

图1　GVZ-4型导电微晶静电场描绘仪

实验时，用单臂测试探针测量出等势点C(或D)后，以电极A和B为参考点，通过数水平和竖直方向的坐标线条数确定其在导电微晶上的位置(如图2所示)，然后在坐标纸上以相应的电极A和B为参考点，数出相同的坐标线条数确定其在坐标纸上的位置(如图3所示)，从而得到1个等势点.

图3　在坐标纸上标示出等势点

该过程存在以下问题：

1) 数坐标线条数确定等势点位置，耗时长且容易数错.

2) 数坐标线过程中，探针位置容易滑动，需重新寻找等势点.

3) 当等势点为D(非坐标线的交点)时，确定D点位置会有4次估读误差.

4) 长期使用，针头与导电微晶相摩擦，损伤导电微晶，且使探针针头变粗，引入测量误差.

该描绘仪测量精度差和效率低的原因是由于单臂测试探针测出等势点后，数坐标线条数确定其位置引起的. 为解决该问题，根据三角形3个顶点的相对位置不随空间位置变化的特点，研制了三点式静电场测试笔.

2三点式静电场测试笔

2.1三点式静电场测试笔的结构

如图4所示，三点式静电场测试笔[5]由绝缘底座、导线和测试笔3部分构成.

图4　三点式静电场测试笔

绝缘底座由直线导轨、静定位点和动定位点构成，动定位点可沿直线导轨移动.

导线穿过金属软管，一端与测试笔连接，另一端穿过绝缘底座作为电控器连接线，两端之间的导线套有金属软管，金属软管可自由弯曲.

测试笔末端为测试点，其材质为铅芯，铅芯较细，定位准确且使用过程中不会划伤导电微晶. 铅芯的长度可利用侧压键调整，且更换方便.

2.2三点式静电场测试笔的工作原理

实验时,将电控器连接线连接到电控器上，将静定位点放置于电极A处，动定位点沿导轨移动到电极B处；在导电微晶上移动测试笔，用测试点找到等势点，该等势点与2个定位点构成稳定的三角形. 根据几何知识，当三角形没有形变时，无论将其放置于何处，该三角形3个顶点的相对位置均不会发生变化. 因此，只要在坐标纸上将三点式测试笔的2个定位点放置于相应的参考点后，测试点在坐标纸上的位置就是该等势点的位置，这种确定等势点位置的方法称为三点定位法.

2.3三点式静电场测试笔的使用

以确定带电长直导线电场为例(如图5所示)，介绍该测试笔的使用方法.

图5　带电长直导线

1)电极A位于极心处，在任一极径上任取一点为参考点B，根据A和B的位置，在极坐标纸上确定相应两点A′和B′.

2)在导电微晶上，将静定位点放于电极A处，动定位点放于参考点B处，拉动金属软管使测试点在导电微晶上滑动，寻找到等电势点C，这3个点构成三角形.

3)不改变三角形的形状，将其平移到坐标纸上，并将静定位点放于A′处，动定位点放于B′处，则测试点在坐标纸上的位置就是等势点C的位置，用铅芯画出此位置.

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，得到带电长直导线电场情况的几何分布(如图6所示).

图6　带电长直导线电场分布图

3三点式静电场测试笔的优点

三点式静电场测试笔在导电微晶上测出等势点后，利用三点定位法可以直接确定其在坐标纸上的位置，不仅提高了测量精度和实验效率，而且还具有如下优势：

1) 利用该设计，可在任意纸上绘制出等势曲线，无需专用的坐标纸，降低了实验成本.

2) 无需在导电微晶上绘制坐标线，减少制造工艺，不仅能提高制造精度，也能降低制造成本.

3) 适用范围广，可描绘复杂形状带电体的电场分布. 利用三点式静电场测试笔测量，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，利用三点式静电场测试笔描绘静电场速度快、精度高、适用范围广、实验成本低，为学生节省近3/4的时间，使学生在有限的时间内能从事更多的实验探索，激发学生的学习兴趣和热情[6-8].

参考文献：

[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,赵宝明. “模拟静电场”实验中描绘仪的改进[J]. 大学物理实验,1997,10(4):38-39.

[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,等. 适用于导电微晶静电场描绘仪的三点式静电场测试笔[P]. 中国专利：ZL201521073487.2,2015-12-23.

[6]寇敏,姜伟. 趣味静电实验[J]. 物理实验，2014,34(9):17-19.

[7]李燕妙,吴先球. 多功能摩擦力演示仪[J]. 物理实验,2015,35(8):18-20.

[8]王鑫,杨胡江. 虚实结合的物理实验教学研究与实践[J]. 物理实验,2015,35(10):15-18.

[责任编辑：尹冬梅]

Three-point electrostatic field test pen

ZHANG Yan, WANG Su-hong, ZHANG Sheng-hai, WANG Rong

(Institute of Science， The PLA Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract:Low efficiency and low accuracy were caused by using the one arm test pen to depict the electrostatic field distribution. To solve the problem，a three-point test pen was developed. The three points were test point, fixed anchor point and removable anchor point. Using this three-point test pen to depict the electrostatic field distribution，a triangle was formed by the three points, when fixed anchor point was placed on the electrode A and removable anchor point was placed on the electrode B，the position of the equipotential points were located by the test point and depicted on the coordinate paper. The advantages of this three-point test pen were high efficiency, high precision, low cost and wide application.

Key words:electrostatic field; three point test pen； test point； fixed anchor point； removable anchor point

中图分类号：O441.1

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)08-0019-03

作者简介：张岩(1978-)，女，河南遂平人，信息工程大学理学院讲师，硕士，主要从事物理实验教学与科研工作.

收稿日期：2016-02-24