自制法拉第杯测微小颗粒电荷量

2013-05-03曾育锋程倍珊

实验技术与管理 2013年4期

曾育锋，程倍珊

（华南师范大学物理与电信工程学院，广东广州 510006）

日常生活中，静电除尘、静电分选和静电复印等领域都需要对粉体或者是尘粒进行荷电。测量出不同粉体的荷电量，对上述技术和设备的应用的改进具有十分重要的意义。本实验中使用自制的利用电晕放电原理的荷电系统对微小颗粒进行荷电，配合使用法拉第杯的方法对荷电后的颗粒进行荷电量的测量。

1 基本原理

1.1 荷电系统

采用电晕放电的方法对微粒进行荷电［1］，其装置如图1所示。在两电极间加上自制的500kV高压电场［2］，并将阴极板接地，阳极板作为尖端，与阴极板之间形成火花放电而电离空气，产生大量的正离子和负离子，负离子受到阳极板吸引而向阳极板运动，负离子被导入地下；正离子在加速电场的作用下加速运动，当微粒进入电晕电场时，微粒与运动的带电离子碰撞并俘获这些自由离子而荷电［3］。

图1 荷电系统

1.2 测量系统

根据静电计原理设计法拉第杯［4］，测量经过高压离子荷电系统荷电之后的带电微粒的电量。

1.2.1 法拉第杯工作原理

根据静电计原理［5］，法拉第杯由不锈钢制成，如图2所示。内筒高16cm、直径为5.5cm，外筒高18cm、直径6cm。内外筒间由一层绝缘木块隔开，使内外筒有均匀间隙。法拉第杯与测试电路之间通过BNC接头（同轴电缆连接器）连接起来。带电微粒进入法拉第杯后，由于接触起电，会使内筒带电，内外筒之间产生电势差，通过电缆屏蔽线将电压信号传给测量电路［6］。带电的微粒进入法拉第杯的内杯中，引起测量线路中的电容器C0充电［7］，使内外筒上的电压V0发生变化。由于测量部分中采用场效应管运算放大器电路，电容器上将产生与粉体同样的电荷量，因此可由测量电压V0来测定粉体带电量Q0，Q0＝C0V0。

图2 法拉第杯

1.2.2 电路工作原理

本装置利用仪用放大器［8］，将法拉第筒中的电压信号V0放大。本装置中的放大电路放大倍数为3 000倍，将电压信号V0由mV级放大到V级。同时利用单片机内置的AD芯片采样［9］，将模拟信号通过AD转换成数字信号，经过单片机处理，利用液晶显示出电压与总电量。

图3为系统实物图。

图3 系统实物图

2 测量流程

仪器由微粒发生器、荷电系统、微粒收集器、法拉第杯以及电天平和运放电路组成，系统流程如图4所示。微粒（实验用沙子）由微粒发生器进入荷电系统后，与高压电场电晕放电产生的正离子碰撞带电，积累在微粒收集器中，积累一定量微粒后，打开闸门后微粒进入法拉第杯，由于接触起电［10］，内外筒之间形成电势差，电压信号传递给运放电路，经过单片机处理输出微粒总的带电量Q0；由电子天平测出微粒的总质量，结合定标曲线即可得出微粒数目，进而得到单个微粒的带电量。