静电风轮的设计与制作

1静电风轮的设计与制作引言在中学物理实验中，电学实验在物理实验教学及考试中占了很大一部分比例，静电实验就是其中之一。在中学物理实验中都要做静电演示实验，这样有利于激发学生的学习兴趣，提高教学效果，加深学生对电学相关知识的理解和掌握。但是，大多数中学教师都不愿做静电演示实验。究其原因，主要是影响静电实验成败的因素颇多；如天气比较潮湿，空气中的水分子比较多就容易导致放电；导体表面有尖端也极容易发生尖端放电，导致电量不足，演示不明显或不成功；绝缘体绝缘性能差更容易导致漏电，这些问题都可能导致实验的成功率降低，或难以达到预期的效果。另外静电实验的一大特点是高压、带电量少。由于这一特点使得静电电荷很容易漏掉且常常是漏光，一般还不易察觉。根据前面所述并针对平常静电实验中所遇到的问题，我们通过自己动手研制仪器并找出克制上诉问题的方案，让静电演示实验变得相对简单容易，能让学生一目了然地观察实验现象。这样我们自己也可以体验一下静电实验制作的全过程和原理，并为我们今后更好地演示静电实验打下坚实的基础。通过自己动手来体验制作实验仪器的快乐。更能让学生看到仪器的内部结构，了解仪器的工作原理，容易激发学生热爱物理热爱科学的情感。为此，我们通过静电风轮的设计与制作来说明常用静电仪器的制作原理和方法。1静电风轮的原理电风轮实验依据的原理在电学方面是尖端放电，而在力学方面是转动定律。本实验的主要部件是用一个易拉罐底剪成的形状对称且具有相同方向尖端的金属件。当金属件上加静电高压时，尖端处的电荷密度最大，尖端附近的电场最强，若强到使空气击穿，则发生尖端放电，即强电场使空气中的分子电离。若金属件带正电荷，则放电过程中产生的正离子将与金属尖端的正电荷相互排斥，其反冲作用使尖端受到推力；若金属件带负电荷，则放电过程中将有空气中的正离子被吸到尖端与处于尖端上的负电荷中和，此时，正离子的冲击将形成对尖端的推力。无论哪一种情况都将使金属件受到一个力矩的作用，使其沿尖端的反方向转动。2高压静电电源的原理设计及制作方法静电实验离不开高压直流电源，即不管是做平行板电容实验、点电荷电力线分布实验、平板电荷的电力线演示实验、尖端放电演示实验、还是静电2跳球演示实验等都离不开高压直流电源。在通常情况下一台高压电源的输入信号来自220V的交流市电,经整流滤波后与PWM脉冲调制器（专用集成电路芯片）的输出信号一起驱动高频变压器,通过高频变压器得到的高压电源再经整流滤波后,输出直流高压。输出反馈信号经光电隔离后反馈给脉冲调制器,通过与脉冲调制器中误差放大器的基准电压比较,控制脉冲调制器的输出占空比,以调节输出电压大小。这样的高压电源其结构比较复杂，价格也不便宜。如果用感应起电机也可满足演示实验需要的电压，但感应起电机易受天气影响，当天气比较潮湿时不易起电，另外感应起电机体积比较大，使用时还须用人工摇动，使用可靠性、可控性、稳定性也不太高。介于以上原因，为了满足静电实验需要，我们根据倍压整流原理，经过多次试验，研制成功一种电路简单、使用安全、操作方便、性能稳定可靠、价格又很便宜的直流高压静电电源，此电源完全能满足静电风轮的演示需要。2.1倍压整流原理倍压整流是利用二极管的整流和导引作用，将电能分别贮存到各自的电容上，使电容上的电压升高，然后把它们按极性相加的原理串接起来，输出高于输入电压的高压，倍压整流电路一般按输出电压是输入电压的多少倍，分为二倍压、三倍压与N倍压整流电路。2.1.1二倍压整流电路原理如图1所示，二倍压整流电路由变压器B、两个整流二极管D1、D2及两个电容器C1、C2组成。其工作原理下：e2正半周（上正下负）时，二极管D1导通，D2截止，电流经过D1对C1充电，将电容Cl上的电压充到接近e2的峰值错误!未找到引用源。E2并基本保持不变。e2为负半周（上负下正）时，二极管D2导通，Dl截止。此时，Cl上的电压Uc1=错误!未找到引用源。E2与电源电压e2串联相加，电流经D2对电容C2充电，充电电压Uc2=e2的峰值+1.4E2≈2错误!未找到引用源。E2。如此反复充电，C2上的电压就基本上是2错误!未找到引用源。E2了。它的值是变压器次级电压的二倍，所以叫做二倍压整流电路。2.1.2三倍压整流电路原理图1二倍压整流电路图3如图2在二倍压整流电路的基础上，再加一个整流二极管D3和－个滤波电容器C3，就可以组成三倍压整流电路，三倍压整流电路的工作原理是：在e2的第一个半周和第二个半周与二倍压整流电路相同，当第三个半周时，D1、D3导通，D2截止，电流除经D1给C1充电外，又经D3给C3充电，C3上的充电电压Uc3=e2峰值+Uc2-Uc1≈2错误!未找到引用源。E2这样在Rfz，上就可以输出直流电压Usc=Uc1i+Uc3≈3错误!未找到引用源。E2，实现三倍压整流。图2三倍压整流电路图2.1.3多倍压整流电路原理根据前面所述，当增加多个二极管和相同数量的电容器，即可以组成多倍压整流电路，如图3所示。当n为奇数时，输出电压从上端取出：当n为偶数时，输出电压从下端取出。图3多倍压电路图2.2电路板的制作在实际操作中，若用一块电路板直接进行24倍整压，那么电路板将会很长，浪费空间。因此可采用两块电路板串联，每个电路板经过12倍整压，这样既可以得到24倍整压电流也使电路板相对较短以达到节约空间的目的。2.2．1印刷电路绘制由此，我们设计的12倍整流合成印刷电路图，图4图为元件正面，5图为印刷面。先将上图3所示的电路原理图根据元件尺寸，在计算机上绘制如图所示的印刷电路图，可以用powerpoint绘图，注意尺寸的调节，比如电路4板长14.5厘米，宽3.5厘米。电容长2.5厘米，宽1厘米，二极管长2.5厘米，宽0.4厘米。根据上述尺寸绘图完成后按原比例打印成图。图4元件正面图5印刷面2.2．2制作印刷板电路图根据印刷板规格，划出三个长约14.5㎝，宽3.5㎝左右的敷铜板，并将打印出来的印刷板电路图覆盖其上并用样冲打眼以确定位置。可用锉刀将电路板四面锉平整、光滑。利用鸭嘴笔和胶片漆在铜板上画出印刷电路，在此过程中，应注意元件间距要均匀，所画线条尽可能平滑，宽度适中，焊点位置尽量画圆，不要有毛刺和尖端。描线完毕，待胶片漆晾干之后，即可把电路板放入三氯化铁溶液中进行腐蚀。腐蚀时可以将电路板用细线吊着放入三氯化铁溶液中进行搅拌，这样可以加快腐蚀，节约时间。若在描线过程中有些失误的地方，如两条线路连在一起了，就可在晾干之后进行修正，然后在腐蚀。腐蚀完毕，用酒精将电路板清洗干净并涂上松香晾干，之后钻孔。钻孔时，钻头装夹在钻床上，依靠钻头与工件之间的相对运动来加工。钻完孔之后用镊子将孔修正完好。2.3焊接电路板将二极管和电容器按原理图安装好，加热电烙铁使焊锡丝溶化在被焊元件与所钻孔眼缝隙中，使二者充分熔合，形成牢固的焊点。电路板元件焊接完毕，即可用导线将两块电路板串联起来。注意暂时不用的电烙铁要放在烙铁架上，以免随处乱放会烫坏桌子及其他物品。焊接过程中，一定要使焊点光滑圆润，焊点不能有尖端和毛刺并保持元件的干净，以防止引起不必要的元件尖端放电，使电源输出电压不足达不到所需电压而使演示效果变差从而不能正常演示实验。焊完元件可以进行检查，一边摇动焊件，一边看万用表指针是否在某一数值，若不稳定就说明是虚焊和假焊。虚焊和假焊是焊件并未接触良好，日久氧化严重或受振动，就会由5于接触不良导致信号时有时无，时断时续。防止虚焊与假焊的最好办法就是在上锡前进行表面处理并预上锡。3导线笔的制作图6导线笔如图7所示，利用废旧的签字笔的外壳，在其笔尖端用M3的丝锥对其攻丝，然后安装一颗直径3毫米的长螺丝，在此之前应将长螺丝钉磨尖以用来固定支撑静电风轮，在笔杆尾部，经钻孔、攻丝锥后装上一香蕉插头，在此过程中要注意中心位置不能跑偏，以防止风轮偏置影响实验效果；在笔内部安装一根导线，并将其一端焊接在螺丝钉顶部，另一端固定在香蕉插头内方便插入接线柱。焊接时应先焊接香蕉插头一边，以防止笔头受热熔化，并注意导线不易过长。4风轮的制作静电风轮实验依据的原理在电学方面是尖端放电，而在力学方面是转动定律。因此，风轮要求其形状对称且具有相同方向的尖端。图7风轮绘制图图8风轮外表面图图9风轮内表面图如图7所示，先在电脑上利用powerpoint画出六叶风轮的形状，风轮外圆直径10厘米，内圆直径3.5厘米；画图时先找外圆的内切正六边形的六个顶点，然后用曲线工具画出六个叶片，可以先画好其中的一个，其余的可以通过复制得到。注意六个尖端要保持在同一个圆的切线出且方向一致，这样有利于获得更大的反冲力矩。打印出图纸，利用废弃易拉罐，去掉上半部，利用下底和中间部分圆筒，中间部分用钳子展开，展开前先用剪刀剪出叶片的大致形状这样可以保证在展开的过程中叶片不易断裂。按照图纸尺寸找出圆心并剪出风轮，如图8和9所示。找圆心时可以采用试一试的办法即用导线笔将风轮立起，找到平衡位置即为圆心。再将螺丝打孔并固定在风轮中心。注意螺丝钉要选择较短的，最好以螺帽刚好盖住为准，以防止长出的部分尖端放电。螺帽与导线笔接触处尽可能光滑，以减小摩擦。65制作底座及安装元件5.1制作底座用锯子锯一块长21㎝，宽14.5㎝，厚1㎝的木板做地板，再用有机绝缘玻璃制作八块长3㎝，宽2㎝，厚0.5㎝的玻璃板，分别两两用二氯乙烷组合成T字型支架用来支撑电路板。并在有机玻璃上钻两个孔用来将固定电路板固定在底座上。风轮导电笔电路板变压器图10静电风轮全景图5.2安装元件首先将两电路板用导线串联在一起，一个电路板作为输入端和变压器连接，另一个作为输出端和香蕉插座相连。注意焊接时不要出现尖端，尽量使焊点圆润。其次在变压器旁串联一个电源开关，用于输入家用市电。安装元件时可以先将变压器、开关和导线笔插座固定在底座上，可用螺丝固定，也可用粘胶固定，建议开关用粘胶固定，其余用螺丝固定。最后将电路板固定在底板上，注意保持电路板及有机玻璃洁净，安装时注意两电路板印刷面不要对着，最好是如图所示放置。注意电路板要离变压器远些，以免放电。利用螺丝将电路板通过有机玻璃固定在底板上。然后再焊接电路板与变压器和插线柱，焊接时注意焊接正确不要短路。元件排列位置如图10所示。尽量使整体开上去美观，不浪费空间。并保持所有部件不整洁干净，特别是与电路板接触处的有机玻璃。6演示步骤（1）将电风轮和导线笔放置在正确位置；7（2）插上插座，打开高压静电电源开关，过一段时间，将看到风轮开始转动；（3）实验结束后，关闭高压静电电源开关，拔出插头；（4）用软导线将演示杆与电源负极接触使放电完毕，取下演示装置；7心得体会通过此次毕业设计，让我对静电原理有了更充分的认识，在设计制作过程中，更是体会了实验过程中的艰辛和严谨，知道了哪怕是一颗小小的螺钉都需认真的对待，钻孔，打磨等工作并不是一蹴而就的，需要我们用耐心和细心去完成。特别是电路板制作和焊接是非常关键，如果这一环节做的不好，电荷会泄漏，最后元件所带的电荷量将会远小于实际需要值，只要电路板和焊接质量好即电路板线条光滑焊接无毛刺，剩余的电荷量和电流强度才能满足演示实验的需要，这让我感受到教具作品的来之不易，并让我至此更加珍惜。在做实验的同时我也将以前落下的知识和部分技能及时补回，知道做实验过程中的种种学问，真的是不做不知道，做后才能体会到，原来每件事情都是要经过很多次的失败才能成功，在实际操作过程中，也遇到很多从未预料到的困难和失败，幸好有潘老师不厌其烦的指导和帮助，让我从中成长了很多。衷心地感谢潘老师的帮助和支持。参考文献[1]潘学军.物理实验研究与创新[M].四川：四川师范大学出版社.2006.10:190[2]陶洪.物理实验论[M]南宁：广西教育出版社，1996.10[3]吴永熙.谈谈静电实验[J]北京;大学物理，1992.2[4]周锡忠.静电实验[M]上海:上海科学技术出版社1984.2