可视化静电场分布实验装置设计开发

宫吉祥，朱海丰，王华安，熊文琪，任志豪，金培健

(中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580)

静电场是物理学中的重要研究对象之一。通过对静电场的深入研究，了解其产生的本质机理，可以利用其某些特性进行实际应用。静电场概念抽象、理论性强并且难以直接测量。所以研究静电场不仅要求具备一定的空间想象能力，还需要较强的数学计算能力[1]。

在大学物理实验中，模拟法是测绘静电场的一种常用方法，该方法常采用稳恒电流场模拟，可测量得到模拟场中不同位置处的电势值，再对等电势点的描绘，获得模拟静电场的分布。此方法虽可模拟静电场分布，但实验现象不够直观，也难以对不规则带电体所产生的静电场进行测量。本实验装置利用高压电源对电极施加恒定高压，产生静电场，再以非导电物质为电场介质，放入可极化微物。极化微物在静电场中被极化之后，发生定向移动，运动结果直观显示静电场二维面上的分布情况。同时，使用arudino单片机作为控制装置，可提高实验的安全性和易操作性。

1 静电场与极化现象

静电场是存在于静止带电体周围空间一种特殊形式的物质。而电场线是为形象地描述电场分布，所引入的一些假想的曲线。曲线上每一点的切线方向和该点电场强度的方向一致。曲线密集的地方场强强，稀疏的地方场强弱。在该实验装置使用时，密集摆列的极化微物将与假想的电场线重合，直观显现电场分布[2]。

电解质一般情况下是不导电的，但在外加电场的作用下，电解质被极化[3]，分子电矩在不同程度上沿着电场方向排列。在高压静电场中，微物被极化后正负电荷将集中于材料两端。对于孤立导体，其表面有电荷堆积时，电荷密度与导体表面的形状有关，在凹的部位电荷密度接近零，在平缓的部位小,在尖的部位最大，因此梭形物质可以使这种正负电荷分离现象更加突出。

2 实验方法及过程

2.1 实验装置设计

图1为可视化静电场实验装置的示意图，分为上、中、下三层。上层通过电机、齿轮和齿条相互配合对电极进行升降操作以实现快速更换电极。为避免电磁干扰，设计了皮带轮传动部分，利用电机的正反转，带动皮带缠绕和放松，使电极在横梁上水平移动，达到电极间距调节目的。

中层为播撒装置和油槽装置。播撒装置主要组成部分是滚筒、丝杠和电机，通过电机带动丝杠转动，控制滚筒的水平移动。电机运转带动滚筒转动，使极化微物在非导电介质中分布更加均匀，在油槽装置中可观察极化微物的运动分布情况。

图1 实验装置示意图

下层为高压直流电源和控制装置。高压直流电源工作范围为0～12 kV，可为电极提供可调工作电压。通过计算机编程可使用“蓝牙串口助手”App传输指令到蓝牙模块，再由蓝牙模块将信号给到arduino单片机控制电机的正反转。

2.2 非导电介质与极化微物筛选

考虑到非导电介质不能被高电压击穿，选择变压器油、蓖麻油、食用油三种油类与一系列备选极化微物在不同电极所产生的静电场中进行实验。图2为筛选合适的非导电介质与极化微物时所用到实验样品。采用控制变量法，变换材料的种类设计不同实验，重复筛选后，根据实验效果，使用食用油与黑芝麻的实验效果较好。

图2 实验用油类部分样品

图3 实验所用极化微物部分样品

2.3 实验操作方法

(1)实验前，检查器材。未接通电源时须将高压电源的电源开关置于闭合状态，电流电压调节至最小。

(2)将arduino单片机电源线连接电源，在计算机中输入相关代码，启动蓝牙模块，使用“蓝牙串口助手”App与单片机进行蓝牙连接。

(3)在油槽内倒入适量的非导电介质，并添加适量极化微物到滚筒中。

(4)根据代码中所设置的指令，在App中输入指令控制电机的转动。启动丝杠所连电机，先将播撒装置水平移动到油槽上方合适位置，再启动滚筒所连电机，使极化微物均匀地落在非导电介质表面。播撒完成后，关闭滚筒所连电机，丝杠所连电机反转，将播撒装置移动到起始位置。

(5)选择将要进行实验的电极，启动电机使齿条带动电极下降到非导电介质中的适当位置。可以再启动皮带轮传动装置，调整好正负电极之间的距离。

(6)将电极的正负极与高压直流电源连接，将高压电源的电源线连接电源，打开高压电源，缓慢调节电流电压，直到合适大小。

(7)观察极化微物的移动情况，记录其稳定时的位置，直观观察相应电场分布情况。

图4 实验装置的实物图

2.4 实验现象结果

以同轴柱面电极为例，其电场线起于圆环，终于轴心电极处成放射状分布。电极在通入高压电之后，在非导电介质中形成静电场。微物受到外电场的作用，原子核和电子云的正、负电荷沿相反方向发生位移，从而产生极化[4]。可以观察到被极化的微物在电场力的作用下将向电极方向移动，在运动的过程中，由于正负电荷的互相吸引，材料微粒之间将会相互连接。大量的材料首尾相连，密集排列。被极化的材料在静电场中有序排列后，可以表现出静电场的电场线形状。

图5 同轴柱面电极实验现象

对于电荷连续分布的带电体，通常采用微元法，将带电体分割为若干个电荷元dq，则该带电体在空间某点所产生的电势为式(1)

(1)

通常情况下，电场在三维空间内分布。当电场线对称分布时，可以进行简化，仅考虑二维平面上的分布。同轴柱面电极的电场可视为对称分布，其等势面为一组同轴圆柱面[5]。距内轴中心半径为r的电势为

(2)

距中心r的电场强度为

(3)

其中U1、U2分别为内部点电极的电势、外部环状电极的电势，r1、r2分别为内部圆柱电极的半径、外部环状电极的半径。根据式(1)可以得知，电势U与r有关。测量点距中心r一定时，电势U不变，故等势面为一系列同轴圆。式(2)指出电场强度与r有关。测量点距中心r越大，电场强度E越小，电场线越稀疏。同时，等势面与电场线处处正交，故同轴柱面电极的电场线为放射状。

图5为利用COMSOL模拟接入高压电的同轴柱面电极静电场分布图，如图5所示，与图4相比，可以看出实验结果与理论模拟结果相符。

图6 COMSOL模拟接入高压电的同轴柱面电极静电场分布

2.5 基于装置的虚拟仿真实验开发

为方便于学生学习和实验教学所用，基于该可视化静电场分布测量装置开发其虚拟仿真实验。利用3D Studio Max软件对该装置进行仿真建模，通过查看三视图和正交图确定各个零件的位置，使用标准基本体、扩展基本体以及复合对象创建命令制作各部分，使用V-Ray进行贴图渲染，最后保存模型。再将模型导入到Unity3D中进行编程，如图7所示，完成虚拟实验的教学演示。

图7 实验装置的仿真开发

在虚拟仿真实验中，设置实验简介和开始实验按钮。点击实验简介可了解实验可视化静电场分布测量实验的方法、思路以及过程中操作的一些注意事项。用户点击开始实验后，可以在页面选择电极的形状，并设置开始电压参数，之后用户视角转向装置模型，用户可观察到实验结果，并在当先页面中调节电压大小，或者更换电极。通过Unity可以将执行文件导出，不需要借助其他外加软件即可独立运行。

3 结 语

在大学物理实验的教学过程中，静电场测量的理论和实验研究，是重要的学习内容。可视化静电场的实验装置设计开发，将静电场的分布可视化，将难以想象理解，计算较为困难的一种场转化为二维平面上实物有序排列所形成的分布。通过该实验装置不仅可以实现对本校物理实验中心模拟法测绘静电场实验装置提供电极的静电场分布可视化直观观察，辅助模拟法测绘静电场实验的学习；还可通过加装不同形状电极，对难以测量的其静电场分布进行研究，拓展学生知识面；利用基于该实验装置开发的虚拟仿真实验，可实现对现开设的静电场实验，开展基础化、拓展化及综合体系化的教学，提升实验教学效果。