摘要：在很多大学的物理实验课堂中的静电场描绘仪，仍在使用传统的静电场测绘仪，多数仪器采用的是双臂或手动测绘，操作相对简单但极易因为学生操作不熟练而产生较大误差。本文针对这一情况，对静电场描绘仪的探针模块进行一定程度的改进，并探讨了不同的导电介质对于实验的影响以及性价比。在此基础上对静电场测绘实验中的误差进行分析 关键词：静电场测绘仪探针导电介质误差分析
静电场作为电磁学的核心内容，是现在理工科学生们必须掌握的知识。也因此，静电场的测绘实验成为了普通物理实验中一个至关重要的基础性实验。对于静电场的测绘实验，由于静电场难以直接准确测量，直接测量静电场会因测量仪器的介入导致原静电场发生变化，实验中通常用稳恒电流场来模拟静电场，使用的装置就是静电场描绘仪。
一 实验原理
我们常用场强E和电势U表示一个电场，在测绘静电场时，通常会选择测量电势U，即出静电场的等势线，再由电场线与等势线垂直相交，绘出电场线。等势线的疏密代表电场变化快慢，电场线代表静电场的传播方向。我们用 来表示静电场电势的分布函数，无源电场的电势分布满足一下方程
类似的，对于稳恒电流场，除去电极附近，周围的均匀电介质中的电势分布也遵从以上方程，即在边界条件类似或相同时，我们可用稳恒电流场的电势分布来模拟静电场的电势分布，这就是我们实验中常用的模拟法。任一农
由电磁学理论可推知：长直同轴圆柱形电缆的稳恒电流场的电势分布与无限长均匀带电同轴圆柱面的静电场的电势分布形式相同，都可以表示为
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其中 为圆柱电极的半径， 为圆环电极内表面半径， 是圆柱电极和圆环电极之间的电压。
图1传统静电场描绘仪测试架
复合肥振动筛1.水槽；2.圆电极；3.圆环电极；4.导电横杆(图中与圆环电极接触导通)；5.导电横杆(图中与圆电极接 触导通)；6.固定螺钉(使导电横杆、电极座和电极导通)；7.水平调节螺钉；8.待测各种电极；9.金属横杆座(电极座)； 10.横杆座导电插孔
二静电场描绘仪的改进
防护耳罩对于传统的静电场描绘仪，主要存在几个因素影响实验运行，从而带来较大的实验误差和实验成本。
可信的密封黏胶条其一为探针模块，多数仪器采用双臂或手动测绘，现有仪器连接上下两探针的固定手柄座质量较大，与实验台的摩擦力很大，在移动时很难控制它的移动位置。尤其是从静止到运动的瞬间和当电压表读数很接近参考待测位置电压而需要微小调节时，很难控制准确，因而导致误差较大，影响实验效果，增加了实验的难度，操作粗糙且精度较低。此外，当上下两层的探针不在同一轴线上时，如果描绘时没有转动，所得到的静电场分布可以说是被测电场的平移。但是，要求描绘时没有转动是很困难的。有转动时，在坐标纸上所描的等位点，就会与实际电场分布情况之间存在误差，即“不同轴误差”。
其二为导电介质模块，对于优良导电介质（导电晶体）存在较高成本，且对于传统的测绘装置，对导电介质存在磨损，进一步影响实验测绘精度。因此，我们主要针对静电场描绘装置中的探针模块进行改进与设计，同时比较了目前常用的多种导电介质，结合实验教学条件和该设计的模型特点，提出优选的导电介质，最后简述该设计其他部分的改进和设计。
1 整体模型简述
本文所提及的静电场描绘装置，测绘区内探针模块采用单轴结构，脱离传统双轴模型，降
低实验设备带来的系统误差。使用铁屑和激光器，主要是为了增加了实验的可视化效果。坐标检测装置采用高精“十字”坐标系框架，为双驱同轴结构，能有效实现粗细调节，脱离传统的实验操作方式，同时极大地提高了仪器的测绘精度。下端探针，通过三相卡盘结构固定，装卸方便。同时，三相卡盘能够稳定地固定探针，使其与导电介质面垂直。衔接装置将激光器、高精“十字”坐标和探针有效的结合在一起，便于实现有效升降且与水平面保持垂直，维持稳定的实验测绘环境，操作方便，且有效地降低实验误差。
2 探针模块
对于静电场描绘装置，探针模块主要由相关辅助部件构成，通过实验操作准确定位静电场等势面且形象地描绘出来。该结构主要包括描点激光器、高精度“十字”坐标及下端接触探针三个模块。探针模块的整体结构如图2所示：
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