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小议关于改进静电场描绘仪的探索
小议关于改进静电场描绘仪的探索 [摘要]利用稳恒电流场在导体中的分布可以模拟静电场写作论文的分布。传统 的静电场描绘仪存在着一系列缺陷，针对传统静电场描绘仪的不足作了部分的改 进。通过实验比较，改进后的描绘仪能很好地模拟静电场。[关键词]静电场描绘仪改进 静电场描：绘实验是高等院校普遍开设的一个基本的电磁学实验，因为直 接测量静电场会因测量仪器的介入导致原静电场发生畸变而对其测量带来很大 的困难，而稳恒电流场在导体中的分布规律和真空中静电场电势的分布规律完全 相似。因此，通常是用稳恒电流场来模拟静电场，称这种方法为模拟法描绘静电 场。
传统的静：电场描绘实验装置中，电极之问的导电介质通常用导电纸。目 前，也有不少装置采用水来代替导电纸，但这两种方法均存在一系列的缺陷，导 致描绘误差太大，严重影响了实验的效果。
针对以上两种介质存在的问题，我们对静电场描绘仪作了改进：以镀有 ITO膜的导电玻璃作为电极之间的导电介质，采用双层探针直接记录各等势点坐 标，通过描点的方法来描绘电场。我们对改进后的静电场描绘仪进行反复试验， 效果很理想。
一、理论依据 导电介质中稳恒电流场和真空中静电场的电势都满足拉普拉斯方程。给定 边值的拉普拉斯方程有唯一解，如果这两种处于相同的边值条件下，则它们的解 是相同的。因而，可以用均匀导电介质中的电流场来模拟真空中具有相应分布的 静电场。
两个通以稳恒电流的同心圆环电极可以用来模拟两个带等量异号电荷的 无限长同轴圆柱面问的电场分布。很容易证明在这种情况下有式中a，b分别为内 外圆环电极的半径，Ua为两极间的电势差，u为稳恒电流场中距圆心r处的电势。
HtTp://wWW.GWYoo.com 二、传统的描绘仪及其存在的缺陷传统的静电场描绘仪如图所示，一般有两种做法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，另一种是用水 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。
1．前一种描绘仪存在的缺陷 (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以及探针与导电纸的接触因人次数而异， 使得接触电阻不稳定，影响描绘结果。
(3)测量时，探针在导电纸点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，加大实验成本。
由于存在这些缺陷，所以用此描绘仪测得的结果误差比较大，模拟静电场的 效果不是很理想。是用一张全新的导电纸作为电介质模拟的结果。若为反复使用 过的导电纸，误差更大。
2．后一种描绘仪存在的缺陷 以水作为电介质可以减少导电纸电介质的不足，但由于水自身的特点，不 可避免存在以下的缺陷：
(1)水是弱电解质，在外加直流电源的作用下，电解产生氢气和氧气，这 些气体以气泡的形式附在电极表面。这样，一方面使得内、外电极表面区域偏离 模拟条件，另一方面氧气会使阳极表面氧化，覆盖在电极上的氧化层与水的电阻 率不同，影响模拟效果。再者，未电解的离子也会产生与外电压方向相反的电压 来破坏模拟条件。
(2)水是有极分子，在外电场作用下产生位移极化和取向极化。两种极化 都使得内外电极表面出现束缚电荷，束缚电荷要在水介质内产生与外电场方向相 反的附加电场，因此破坏了模拟条件。
(3)每次实验都要更换水槽中的水，且水槽中水的多少还影响模拟的效果， 这样给学生实验带来极大的不方便。因此，用水作为电介质来做这个实验也不是很理想。
三、改进的描绘仪及其优点 针对上述传统描绘仪的缺陷，我们对传统静电场描绘仪作了一些改进。我 们的做法是选用合适的镀有ITO膜的导电玻璃来代替传统的导电纸或水，将其作 为两电极问的电介质。我们选用的这种电介质和传统的两种电介质相比，至少具 有以下优点：
1．ITO膜导电层是采用真空镀膜技术形成的，表面均匀性和电阻均匀度 均较好，模拟条件良好，提高了实验的准确性。
2．ITO膜导电层耐磨性好，不会因为和探针的反复接触而被破坏，这样 既提高了实验的可重复性，又避免了频繁更换实验耗材，延长了仪器的使用寿命， 节约了实验成本。
3．用ITO膜的导电玻璃代替水作为电介质，可以完全克服水的缺点，达 到最佳的模拟条件。
四、结论 传统的静电场描绘仪由于自身缺陷的存在，不能很好的描绘静电场，实验 误差大概在5％-10％之间：改进后的描绘仪能基本克服传统描绘仪的缺陷，实验 误差大概在3％左右，减少了实验误差，能更有效地模拟静电场的分布。
