电子电荷（精选12篇）
电子电荷 篇1
1856年12月18曰,约瑟夫.约輸.汤姆孙(Joseph John Thomson,1856-19 40)诞生于英国曼彻斯特的一个出版商家庭。14岁时,汤姆孙进入欧文斯学院(后改为曼彻斯特大学)读书。他学习刻苦,成绩突出,深受教授们的赞赏,得到司徒华教授的精心指导。1876年,汤姆孙获得剑桥的数学奖金而进入剑桥大学三一学院深造。1880年毕业后留校,在瑞利(J.W.S.Rayleigh,1842-1919)领导下的卡文迪许实验室从事研究工作,很快取得了一系列重大成果。1884年,年仅28岁的汤姆孙被选为皇家学会会员,并接替瑞利,担任了卡文迪许实验室的主任职务。此后,直到1919年卢瑟福(E.Rutherford,1871-1937)接替他为止,领导这个实验室达35年之久。在汤姆孙的组织领导下,卡文迪许实验室成为世界第一流的物理学研究基地,并培养出许多优秀的物理学家,其中有7名后来获得了诺贝尔奖。
汤姆孙在物理学领域有许多重要贡献。例如,1903年,他最早提出了_个原子结构模型—汤姆孙原子模型;1912年,他指出了同位素的存在;在电学理论方面,他在研究电磁波被自由带电粒子散射时,发现了汤姆孙散射,得到了光被自由电子散射的情况下有效截面的表达式,即汤姆孙公式。汤姆孙最杰出的贡献是发现了电子的存在。他因对科学的杰出贡献而获得了极高的荣誉:1906年,他获得诺贝尔物理学奖;1908年,他被封为爵士;自1909年,他几次连任近代物理世界年会主席;1915年他当选为英国皇家学会会长;1918年他担任剑桥大学三一学院院长……直至1940年8月30曰,汤姆孙在剑桥大学去世。他的遗体和牛顿、达尔文、幵尔文等著名学者一起安葬在伦敦中心的威斯敏斯特教堂。
电子电荷 篇2
作者： 夏维军(初中物理
贵州黔东南物理一班)评论数/浏览数： 12 / 70 发表日期：
2011-01-10 21:05:39
一、教学目标设计 〈一〉知识与技能
1．认识摩擦起电的现象，了解电荷的种类及电荷间的相互作用； 2．了解验电器的原理及其作用，了解电荷量及其单位； 3．了解原子结构，认识元电荷、自由电子和电荷的移动。〈二〉过程与方法 1．通过实验活动感受摩擦起电，知道带电体的性质；
2．在认识自然界只有两种电荷的过程中，感受人们所用的推理方法。〈三〉情感态度与价值观
1．注意观察静电现象，对电荷种类的探究产生兴趣，能主动利用简易器材动手做实验，激发学生主动学习的兴趣；
2．鼓励学生自己查找资料、培养学生的自学能力，引导（ben文由wuyanrenjia收集整理）学生关注社会、初步认识科学及相关知识对人类生活的影响。
二、重、难点 两种电荷及其作用规律、电荷量及其单位、电荷的定向移动是教学重点，而认识自然界只有两种电荷同时又是教学难点。教学过程 〈一〉新课引入
引入：前面我们学习了声学和光学的知识，从这节课开始我们学习有关电的知识。提到电，同学们并不陌生，日常生活中的电灯、电扇、电视都要用到电，随着社会的不断发展，电的应用越来越广泛，也越来越重要，因此了解一些电的知识是十分必要的。
教师设问：当空气干燥时用塑料梳子梳头发，为什么头发会随梳子“飘”起来？如果我们身上穿了化纤衣服，衣服会粘在皮肤上，在晚上脱衣时，有时会发出响声，甚至出现火花。这些现象发生的原因是什么呢？学习完本节内容我们就可以找到答案。
（联系实际，设置疑问，创设物理情境，激发学生兴趣，使学生认真观察、思考）
引导学生实验：先用塑料刻度尺靠近碎纸屑，看有什么现象？然后和头发摩擦后，再靠近碎纸屑看有什么现象？
（教师分析）：摩擦过的塑料刻度尺有了不同的性质，物体有了吸引轻小物体的性质，我们就说物体带了电或者说带了电荷。〈二〉进行新课
1、摩擦起电现象
（教师提问）刚才是用什么方法使物体带电的？使物体带电还有什么方法？
（学生回答）用摩擦的方法使物体带电。
（教师定义）用摩擦的方法使物体带电的方法就叫做摩擦起电。（学生利用身边简易器材动手做实验，激发学生主动学习的兴趣。让学生自己实验，以保证实验的效果。这样既能使学生认识到摩擦起电现象，又可为后面学生探索性实验的成功打下良好的基础。）学生思考、回答：摩擦
教师补充：还有接触带电和感应带电的方法
2、两种电荷及电荷间的相互作用规律
演示实验：
（1）将被毛皮摩擦过的橡胶棒放在支架上，用另一根被毛皮摩擦过的橡胶棒去靠近它，看到的现象：_____________________。
（2）将被丝绸摩擦过的玻璃棒放在支架上，用另一根被丝绸摩擦过的玻璃棒去靠近它，看到的现象：_____________________。（3）将被毛皮摩擦过的橡胶棒放在支架上，用被丝绸摩擦过的玻璃棒去靠近它，看到的现象：_____________________。引导（学生分析：
人们通过大量的实验研究发现，用摩擦的方法可以使各种各样的物质带电。带电后的物体凡是跟丝绸摩擦过的玻璃棒互相吸引的，必定跟毛皮摩擦过的橡胶棒互相排斥；凡是跟毛皮摩擦过的橡胶棒互相吸引的，必定跟丝绸摩擦过的玻璃棒互相排斥。就是说物体带的电荷要么跟丝绸摩擦过的玻璃棒所带电荷相同，要么跟毛皮摩擦过的橡胶棒所带电荷相同，没有第三种可能。归纳：
1).人们认识到自然界中只有两种电荷。
为了研究方便，美国科学家富兰克林对这两种电荷做出规定：丝绸摩擦过的玻璃棒所带电荷叫做正电荷，毛皮摩擦过的橡胶棒所带电荷叫做负电荷。
规定：用丝绸摩擦过的玻璃棒带的电荷叫做正电荷；
用毛皮摩擦过的橡胶棒带的电荷叫做负电荷。2).电荷间的相互作用。同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。
3、验电器及电荷量的概念 1）检验物体是否带电的方法（A）利用带电体的性质来判断。
例1：如果一个带电体吸引一个轻小物体，能否判断这个轻小物体也带电？ 例2：如果一个带电体排斥一个轻小物体，能否判断这个轻小物体也带电？（B）用验电器来检验。
观察实物知道验电器的主要构造，通过实验了解验电器的原理和作用。实验（演示、分组）：用被丝绸摩擦过的玻璃棒接触验电器的金属球，验电器金属箔片张开，此时金属箔片带_______电，用力多摩擦几下玻璃棒，再去接触验电器的金属球，验电器金属箔片张开的角度变____________。换用毛皮摩擦过的橡胶棒，重做上面的实验。
验电器金属箔片张开的角度不同，说明了_____________________不同。归纳：验电器是实验室里常用的一种检验物体是否带电的仪器。它是由金属球、金属杆、金属箔等几部分组成的。它利用同种电荷互相排斥的原理，当用带电体接触验电器的金属球时，就有一部分电荷转移到验电器的金属箔片上，这两片金属箔由于带同种电荷互相排斥而张开。验电器金属箔片张开的角度不同，反映了带电体传给验电器的电荷的多少不同。2)电荷的多少叫电量 电量的单位是库仑，简称库，符号是C。
库仑是一个比较大的单位。一根摩擦过的玻璃棒或橡胶棒上所带的电量，大约只有10－7库仑，一片带电的云上所带的电量，大约有几十库仑。
4、指导学生阅读课文了解物质的组成、元电荷的概念。1)原子结构:原子由原子核和核外电子组成。2)电子:带有负电的最小的电荷。3)元电荷:最小的电荷。4)中和:原子对外不显电性。
（介绍物质由分子、原子组成的，介绍原子的结构，也可配合课件形象讲解，给学生具体的印象和模型，让学生知道电子是带有负电最小电荷的粒子，叫做元电荷，介绍原子呈中性的原因，引入“中和”的概念。此节主要为学生思考摩擦起电原因铺下伏笔，并且使电荷的概念更具体化。）
5、电荷在导体中定向移动 实验：
1）取两个验电器A和B。用金属杆把A和B连接起来，用毛皮摩擦过的橡胶棒接触验电器A，可以看到A和B的金属箔都张开了。2）改用橡胶棒把A和B连接起来，重做上面实验，可以看到只有验电器A的金属箔张开，而B仍然闭合。
实验现象说明：电荷在金属杆中定向移动。导 体：善于导电的物体。绝缘体：不善于导电的物体。金属靠自由电子导电。
如果用绝缘体包裹金属棒和直接用手拿金属棒做实验，比较现象的不同，并让学生思考为什么，讨论得出导体和绝缘体的不同，借助于学生日常经验举出常见的导体和绝缘体。
〈三〉课堂小结 问：这节课我们研究了什么问题？主要采用了什么方法？ 学生总结本节知识要点:通过对实验现象的观察、分析和比较，并结合历史上的大量实验结果归纳得出:自然界中只有两种电荷，同时认识到了电荷间的相互作用规律，然后学习了验电器、电量的概念和中和现象、以及电荷在导体中的定向移动、导体和绝缘体等。
教学反思
本节课给我的启示是很多的,可以说教学实践中又多了一次历练,收获很大,下面就我的感想总结如下:
一、要深入挖掘教材,课前充分备课
自己从教十年了,“电荷 摩擦起电”一节课以前用旧教材上过,自以为十分熟悉了,但在备课过程中,自己一遍遍地阅读研究教材,才发现新教材改了很多,把以前三节课的内容压缩成一节内容,而且把摩擦起电的原因的内容删掉了。这节课是初中物理电学部分的第一节课,摩擦起电虽然学生在小学自然常识中已经学过,但是在初中阶段有必要从头讲起。
二、要充分发挥教师的主导作用,突出学生的主体地位
一个好的教师不应只是传授知识,而是教会方法,教师要不断地改善自己的教学行为,来影响学生的学习的习惯,以便把自己的教学理念更好地贯穿在教学之中。课上课下充分调动学生的积极性,这一点平时自己在教学中坚持得还好,课上显得比较轻松,学生学习效果也较好。让学生做实验探究时,教师要做适当的指导,可以提高学生的合作意识并提高课堂效率,学生明白了,就无需老师再讲了。而我这节课中由于我校没有足够的实验器材,没能分组实验,只是做了演示实验,而且讲的较多,没给学生更多的时间去动手做实验去探究,这是以后要加以改进的地方。
三、学无止境,不断完善提高教学水平
1、在学生探究电荷间的相互作用时应该让学生先讨论一下实验方法。在这点上没有设计好,应该事先做好学案,或用小黑板列成表格,在做完实验后让学生把实验现象填写下来。做课过程中的实验现象较多,学生记不住,归纳起来就显得乱了些,也容易出现偏差。
2、这次讲课中用丝绸摩擦玻璃棒效果不好,这主要是跟温度有关,另外再加上自己手上有些出汗,但实验效果还算不错。
3、课堂达标检测未能安排好。
4、语言上还要更精练些,要给学生一定的思考和表达的时间。
5、板书书写过程中由于有些紧张出现一个漏字,还好并不影响知识的准确性,这方面以后还要加强锻炼。
导体上电荷的分布剖析 篇3
……，静电平衡时导体上的电荷分布有以下两个特点：
（1）导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面。
（2）在导体外表面，越尖锐的位置，电荷的密度（单位面积的电荷量）越大，凹陷的位置幾乎没有电荷。
我认为上面两点“（1）导体内部没有电荷，电荷只分布在导体的外表面。”这一说法欠妥，值得商榷。其理由如下：
一、静电平衡状态
将一个不带电的金属导体ABCD放到场强为EO的电场中，导体内的自由电子在电场力的作用下逆着电场线定向移动，使导体的一侧聚集负电荷，而导体另一侧却出现等量的正电荷，导体两侧出现的正负电荷在导体内部产生与EO方向相反的电场E1，E1与EO叠加的结果使原场强逐渐减弱，直至导体内部各点的合场强等于零为止，于是导体内的自由电子不再发生定向移动。这种状态，我们就说导体达到静电平衡状态。
二、静电平衡状态下导体的电场特征
1、处于静电平衡状态的导体，导体内部的场强处处为零。
2、处于静电平衡状态的导体，其表面上任意一点场强方向跟表面垂直。
3、处于静电平衡的导体是一个等势体，其表面是一个等势面。
三、静电平衡状态下导体的电荷分布特征
1、导体内部不存在宏观定向移动的自由电荷，但存在做无规则热运动的自由电子。
从静电平衡状态的定义我们知道：因导体处于外加电场中，在导体两端感应出等量异种电荷，从而产生一个感应场强与原电场叠加，在二者大小不等时，外电场强强于感应场强，电子所受合力方向与原场强方向相反，继续有自由电子定向移动，直至感应场强与原场强大小相等，此时，导体内合场强处处为零，导体内部自由电子不受电场力的作用，或者说所受电场力的合力为零。这样，导体内部跟没有施加电场时的情景一样，故没有移至导体表面的自由电荷又开始做杂乱无章的热运动。可见，处于静电平衡状态下的导体、导体内部仍有自由电子，只是这些自由电子不再做出宏观的定向移动而已。
2、导体内部有电荷，既有正电荷也有负电荷
从物质微观结构我们知道，任何物质本身就是由带电粒子组成的，一般情况下，物体对外显电性而呈电中性，是因为物体内正负电荷相等。而金属导体容易导电的原因是在金属导体中存在大量自由电子，要知道，在导体发生静电感应的过程中，定向移动的仅是自由电荷，物体内部的正粒子并没有也随之移动到导体的外表面。由此可知，处于静电平衡状态下的导体内部存在正电荷也存在负电荷。
3、净电荷只分布在导体的外表面
所谓净电荷，是指导体内自由电子和阳离子的总量达到“电中和”以后多余的电荷。
带电导体可视为处在它自己所带电荷的电场中（只有电荷周围才有电场），当导体达到静电平衡时，内部的场强处处为零。假若还有净电荷在导体内部的某点，这个电荷周围必产生电场，使得导体内部各点场强不可能处处为零，这与静电平衡状态的性质相矛盾。因此，导体内部没有净电荷，净电荷只分布在导体的外表面。
火焰电荷分布特性的试验研究 篇4
关键词：静电探针,等离子体,火焰电位,离子电流
燃烧过程的本质是氧化还原反应, 无论气体、液体还是固体燃料的燃烧, 都是流动、传热、传质和化学反应同时发生而又相互作用的综合体现。火焰仅是化学反应过程的外显现象, 根据有焰燃烧的自由基理论, 火焰中必定存在游离基也就是带电的粒子。受火焰内部燃烧条件的限制, 这些带电粒子不能在短时间内结合成为分子, 它们将以离子的形式在火焰中存留一段时间, 那么火焰电荷在火场中的分布应具有一定的规律性, 对其规律性的研究可以指导灭火技术的发展。哈佛大学的一组研究人员在2010年的展览会上演示了一项试验, 试验内容是将一台600W电流放大器与一根特制的管子连接用以形成电波, 然后将管子设置在具有一定高度的火焰上方, 结果几分钟内火焰就迅速熄灭了。这项试验科学地揭示了研究火焰电荷分布特性对灭火应用是具有现实意义的。
1 静电探针及其测试原理
静电探针主要由细金属丝构成, 探针的端点是金属, 其余部分的金属丝外套玻璃或陶瓷绝缘套。根据探针伏安特性曲线的过渡区可计算出等离子体的电子温度、密度、空间电位和悬浮电位等重要参数。静电探针通常可分为单探针、双探针、三探针、发射探针等。试验选用单探针进行, 单探针的伏安特性曲线由三部分组成 (A) 离子电流饱和区, (B) 过渡区, (C) 电子电流饱和区, 如图1所示。
如图1所示, 根据单探针特性曲线可以确定悬浮电位Vf和空间电位Vsp, 而鞘层电场 (Vp-Vsp) 与探针电流Ip之间函数关系如式 (1) 所示。
式中:Ip为探针电流, A;Vp-Vsp为鞘层电场, V;kTe为等离子体的电子温度, ℃;Ie0为电子饱和电流, mA;I为离子电流, mA。
将式 (1) 取对数, 可得式 (2) 。
由式 (2) 得知, 等离子体的电子温度kTe (eV) 如式 (3) 所示。
对应等离子体空间电位Vsp的纵坐标即为电子饱和电流Ie0 (mA) , 其表达式为式 (4) 、式 (5) 。
式中:ne为电子密度, cm-3;S为探针表面积, cm2;由等离子体的电中性可知, ni=ne, 故可求得离子密度ni, cm-3。
其中, 因为等离子体是呈电中性的, 则式中ni=ne, 由此可以算出离子密度ni, 其单位为cm-3;S为探针的表面积, cm2。
2 燃烧中离子的产生与复合
根据有焰燃烧的自由基理论, 在物质燃烧形成的烟气和火焰的区域中必定有电子和阴、阳离子的存在。其中, 阳离子是分子或原子失去电子形成的, 阴离子是分子或原子得到电子形成的。通常电离是需要能量的, 能量主要来源于化学电离和热电离两种途径。
2.1 离子的产生
化学电离是燃料受热分解, 电解质的化学键被破坏而电离形成自由移动的离子, 从而发生分子-离子反应。等离子体的形成必须要经过电离这一元过程, 火焰就是弱电离等离子体, 其主要过程如下:
(1) 电子碰撞电离。可表示为A+e (高速) →A++e+e (低速) 。其中, 由于电离机制不同, 又可将电子碰撞电离分为:离解电离, AB+e→A++B+e+e;累积电离, A+e→A*+e, A*+e→A++e+e, A*为激发态分子。
(2) 离子碰撞电离。表示为A+B+→A++B++e。
(3) 中性粒子碰撞电离。表示为A+B→A+B++e。
2.2 离子的复合
复合过程存在于火焰的化学电离过程中, 它是指火焰电离时产生的正电粒子与负电粒子碰撞并结合在一起进而形成不带电的原子或分子。这一过程是放热过程, 复合过程与电离过程是相逆的。复合过程符合能量守恒定律, 其过程如下。
(1) 三体碰撞复合。表示为A++e+M→A+M。
(2) 双电子复合。表示为A++eA··→A+hv。
(3) 正负离子碰撞复合, 即电荷交换复合。可表示为A++B-→A·+B·。
如果火焰气相物质的温度较高, 那么粒子就会有足够大的动能为碰撞提供能量, 这一过程称之为热电离。物质之间发生化学反应的必要条件之一是具有一定的激发能, 又称为活化能, 用Ea表示。激发能通常以热能形式提供, 包括化学热能、电热能、机械热能、生物热能、光能、核能等等。反应过程中能量的变化是用反应焓ΔHR来平衡, 放热反应的ΔHR<0。
反应物A、B在活化能Ea作用下和生成物C、D可以用式 (6) 所示的方程式来表述。
当活化能加上反应焓大于物质D的电离能时就会产生电子和阳离子, 即发生了电离。
3 试验装置及方法
3.1 试验装置
试验由燃烧系统、静电测量系统、绝缘系统三部分组成。首先, 燃烧系统由J2609型酒精喷灯和直径D=80mm、H=35 mm的油盘组成。在进行油盘火试验测量时, 选用两种燃料分别为航空煤油和酒精, 试验的液面高度为距油盘上沿5mm。由于酒精的闪点较低, 可以直接点燃, 而航空煤油的闪点较高, 不容易直接点燃, 需用少量酒精引燃。其次, 静电测量系统由10节12V蓄电池、7ΜΩ变阻器、40kV高压屏蔽线、EST103型电位计、EST121型超高电阻微电流测试仪、ZC-7型兆欧表和静电探针组成。其中, 探针除尖端为裸露金属外其余部分用陶瓷管和高温线密封, 陶瓷细管的内径1 mm, 外径4mm, 长25 mm;陶瓷粗管内径4 mm, 外径6 mm, 长200mm;耐高温线的外径3.5mm, 内芯线镍铬合金直径0.75mm, 探针的尖端部分长1 mm, 如图2所示。在试验中测取的电流值通常在微安级, 电压值通常在毫伏级。若系统整体绝缘性能不好, 这些信号就会被漏导电流导走, 影响测量结果。因此, 在系统多个接触部位采用PT-FE垫片和陶瓷管进行绝缘。
3.2 试验方法
虽然火焰电流与其内部离子浓度存在着关系, 但由于火焰的电信号是很微弱的, 在无外部电压的情况下很难测出。电压与电流在一定范围内是呈线性关系的, 而当电压值大于100V时电流值则为一定值。有人通过试验测量了火焰中阳离子的浓度, 认为100V的负压形成的电场完全可以阻止负电荷向电极方向移动。
采用的测量手段就是基于这一理论, 测量火焰电流时选用120V的直流电压。当电压达到100V时, 阳离子、电子在电场力的作用下被吸至正负两极, 电流趋于饱和。火焰电位是离子浓度、带电荷量、极性的综合体现, 为尽量避免泄漏电流, 在测量火焰电位时采用具有超高阻的电位计 (输入阻抗达1 014Ω以上) 。
试验时, 将静电探针的工作端置于火焰顶端同轴中心, 另一端接EST121型超高电阻微电流测试仪和EST103型电位计来测量火焰电流和电位。为了对液体火焰电荷特性分布有更清晰的认识, 在相同工况下, 通过改变探针距离火焰的竖直高度、火焰的水平距离等因素研究液体火焰电荷、电位的分布。
4 试验数据分析
4.1 酒精喷灯火焰电特性研究
图3~图5分别为不同火焰高度、水平方向不同火源距离的火焰电位和火焰电流分布测量结果。
由图3~图5得知, 该火焰几乎为负电位。随着火焰高度的增加, 火焰电位逐渐升高、火焰电流逐渐降低, 火焰电流随着火焰水平距离的增加而变化。最高电位达到-14.8V, 出现在火焰中心高度14cm处, 相对火焰高度为0.2。最低电位达到-1.5V, 出现在距火焰中心线6mm、高度为38cm处, 相对火焰高度0.85。
焰心区域呈现出负电位是由于此区域物质主要进行受热分解, 温度较低, 电子的运动速率低, 易被吸附在中性粒子上;同时, 由于物质热分解后产生的气态物质上升蒸发, 新的空气会卷吸入火焰根部, 也会对电子产生吸附作用, 所以这一区域呈负电位。而在火焰发光区域, 由于电子质量小、运行速率高, 极易逸散出去, 阳离子的质量大, 在碰撞中不易逸出, 基本停留在这一区域, 理论上会呈正电位。但由于试验仪器输入阻抗较大, 容易受到外界环境干扰, 火焰燃烧不够稳定, 得到的数据为负值。
4.2 小油盘火焰电特性研究
图6、图7分别为不同火焰高度、水平方向距离油盘中心不同位置的航空煤油火焰电位和电流分布的测量结果。图8、图9分别为不同火焰高度、水平方向距离油盘中心不同位置的酒精火焰电位和电流分布的测量结果。
从图6、图8可以看出, 航空煤油和酒精池火焰主要是带负电的, 在油盘中心处电位值稳定, 而距油盘中心不同位置的火焰电位随火焰高度的增加而变化, 各个测量点的数值均为观察30s内的平均值, 但空气扰动可能导致火焰的不稳定进而对数据产生影响。
航空煤油和酒精油盘火焰电流的测量结果与酒精喷灯基本相似, 随着高度的增加, 火焰电流逐渐减小。从图7、图9趋势可以推测, 当火焰高度达到一定程度, 火焰电流会趋近于0, 不再受火焰影响。在开始阶段电流值下降很快, 当高度达到32cm以后曲线下降趋势不再明显, 趋于平稳。这是因为随着火焰高度的增加, 火焰离子浓度减小。火焰预热区 (即内焰) 与空气接触面积较小, 燃烧不充分, 火焰在化学电离作用下形成阳离子和阴离子, 阳离子质量大并且运动速率低, 将停留在此区域, 因此测得的电流较大。而火焰前锋区域 (即外焰) 与空气接触面积较大, 燃烧充分, 火焰温度急剧上升, 强烈的热扩散促使离子-分子激烈碰撞。由于电子的迁移速率比阳离子大, 动量交换率很大程度上依赖于电子迁移速率, 而阴离子又是电子与具有亲和性的中性粒子碰撞产生的, 此区域的粒子将为维持火焰燃烧的化学链式反应提供能量, 最终导致其离子浓度降低, 因此测得的电流较小。
5 结论与展望
采用静电探针法, 通过改变探针距离火焰的水平距离和垂直高度等因素, 测得酒精喷灯和航空煤油、酒精小油盘火焰的电荷、电位的相关数据。研究分析了酒精喷灯和航空煤油、酒精小油盘火焰的电荷、电位分布的规律, 揭示了火焰电位分布和燃烧状态存在密切关系。燃烧充分的区域带单一电荷, 试验中酒精、航空煤油均带负电, 并且火焰内部的电荷密度大, 外部的电荷密度小。实验结果对灭火技术的发展具有参考意义, 例如对细水雾灭火技术, 可以通过研究使其荷电进而提高细水雾的灭火效能
参考文献
[1]Sher E, Pinhasi G, Pokryvailo A, et al.Extinction of pool flames by means of a dc electric field[J].Combustion and Flame, 1993, 94 (3) :244-252.
[2]Orlando Anciello, Daniel L F, 郑少白, 等.等离子体诊断[M].北京:电子工业出版社, 1994.
[3]石泳.电弧加热发动机羽流的静电探针诊断[D].北京:清华大学, 2004.
[4]菅井秀郎.等离子体电子工程学[M].北京:科学出版社, 2002.
[5]Axel Franke.Characterization of an electrical sensor for combustion diagnostics[M].Lund Institute of Technology, 2002.
《电荷》教学反思 篇5
以前用旧教材上过自以为十分熟悉了但在备课过程中自己一遍遍地阅读。研究教材才发现新教材改了很多把以前三节课的内容压缩成一节内容。而且把摩擦起电的原因的内容删掉了。这节课是初中物理电学局部的第一节课摩擦起电虽然学生在小学自然常识中已经学过但是在初中阶段有必要从头讲起。因为从电的发展史来看人们首先得到的是静电知识从电学系统来看静电是电学的基本知识所以学好这局部内容可以为以后的电学知识的学习打下良好的基础开个好头就显得非常关键了。如何上好这节课需要动一番脑筋必须做到教学内容、实验、学生活动有机的结合起来尤其各局部知识的衔接和过度上要做到自然。
二、要充分发挥教师的主导作用突出学生的主体地位
一个好的教师不应只是传授知识而是教会方法。教师要不断地改善自己的教学行为来影响学生的学习的习惯以便把自己的教学理念更好地贯穿在教学之中。课上课下充分调动学生的积极性这一点平时自己在教学中坚持得还好课上显得比较轻松学生学习效果也较好。让学生做实验探究时教师要做适当的指导可以提高学生的合作意识并提高课堂效率学生明白了就无需老师再讲了。而我这节课中由于我校没有足够的实验器材没能分组实验只是做了演示实验而且讲的较多没给学生更多的时间去动手做实验去探究这是以后要加以改进的地方。
三、学无止境不断完善提高教学水平
1、在学生探究电荷间的相互作用时应该让学生先讨论一下实验方法。在这点上没有设计好应该事先做好学案或用小黑板列成表格在做完实验后让学生把实验现象填写下来。做课过程中的实验现象较多学生记不住归纳起来就显得乱了些也容易出现偏差。
2、这次讲课中用丝绸摩擦玻璃棒效果不好这主要是跟温度有关另外再加上自己手上有些出汗但实验效果还算不错。
3、课堂达标检测未能安排好。
4、语言上还要更精练些要给学生一定的思考和表达的时间。
5 板书书写过程中由于有些紧张出现一个漏字还好并不影响知识的准确性这方面以后还要加强锻炼。
电子电荷 篇6
本人以为解答这类问题，关键要抓住“处于静电平衡的金属板内电场强度为零”这一点，再综合运用电场的有关知识即可顺利解答。由于两相互平行的，靠得很近的金属板所组成的平行板电容器，当极板带电时内部的电场为匀强电场。平行板电容器的电容为
由于其内部电场是两块极板上电荷所产生的电场的叠加，正、负极板所带的电量相等，因而在电容器内部，正、负极板所产生的电场相互加强；电容器外部，正、负极板所产生的电场抵消。无限大平行金属板所产生的电场是垂直于极板的匀强电场，场强为E0=2πkσ，方向垂直于极板向两侧无限伸展，如图1所示。因此无限大带电金属板在其附近所产生的匀强电场的电场强度正比于极板表面上分布的面电荷密度。对于孤立的带电金属板，由于其两侧表面上电荷在金属板内部所产生的电场大小相等、方向相反，从而相互抵消，如图2所示。
综上所述，求解平行金属板的带电问题时，根据带电金属板所产生的电场的性质，静电平衡性质及电荷守恒定律，可以得出金属板中心线两侧所带电荷的电量相等。下面举几例加以说明。
例1 两块相互平行的金属板A和B，分别带电量＋Q和－Q／2，完全正对地相互靠近，两板间距离为1mm，求金属板A、B上电荷的分布情况？
分析与解 设金属板A的左右两侧所带的电量分别为+x和Q-x，由于静电感应，B板左侧所带的电量必为-（Q-x），则由电荷守恒定律可得，B板的右侧所带的电量为Q/2-x。由于金属板B中央的电场强度为零，即A、B两板左右两侧电荷各自产生的电场在B板中央叠加后为零。再由电容器内部场强公式
例2 有平行金属板B、C组成的电容器，电容为C，带电量为2Q，B板带正电，C板接地。今将另一块与B、C完全一样的，带电量为＋Q的金属板A，从无穷远移近B，使A、B间距离恰好是B、C间距离的一半，且完全正对。今将在A板附近的质子释放，如图5所示，已知质子电量为e，质量为m，则质子穿过B板最后撞击C板的速度为多少？
分析与解 设金属板A左侧所带的电量为x，由电荷守恒定律可知A板的右侧为Q-x，根据静电感应，B板的左侧所带的电量必为-（Q-x），如前分析，同理有B板的右侧为3Q-x，同样由静电感应可得，C板的左侧所带的电量为-（3Q-x），因为C板接地，其右侧必不带电，这是因为假如右侧带正电的话，就有从C指向无穷远的电场线，沿电场线方向电势是降低的，则C比无穷远处的电势要高，而无穷远的电势为零，则C板的电势为正，现C板接地，电势为零，相互矛盾，故有C的右侧不可能带正电；同样，假如C板带负电，则C板和无穷远之间就有从无穷远指向C板的电场线，使C板的电势比无穷远要低，为负电势，但C板接地为零电势，因而也相互矛盾，故而C板右侧带负电也是不可能的。综合上述两种情况，C板右侧不带电。由于C板中央的场强为零，即A、B、C三板各侧电荷产生的电场在C板中央叠加后所得总场强为零。同前例中所述，由电容器内部场强公式
例3 一平行板电容器，极板面积可视为无穷大，将其两极板接地，今在两极板间Ｐ点放置一点电荷，其电量为＋Q，它到两极板间的距离分别为a和b，如图6所示。求放入此电荷后，电容器两极板上所带的电量？
分析和解 设Ｑ放于Ｐ点时，左右极板上的感应电荷分别为q1、q2，若把电荷向上沿平行于极板方向移到另一位置Ｐ′时，由于电荷Ｑ离无穷大的左右极板的距离不变，极板上的感应电荷仍是q1、q2，若把点电荷Ｑ一分为二，分别置于过P点且与极板平行的平面上的两点上时，由于它们与两极板的相对位置与原来一样，故两极板上的感应电荷与原来一样；若把Q等分为无穷多的小电荷，把它们均匀地置于过P的与两极板平行的平面上时，即相当于把电量为Q的电荷分布于与左右极板距离为a、b的金属板上，这时两极板上的感应电荷的电量仍q1、q2。这时该金属板与左右两金属板组成了两个平行板电容器，两个电容器所带的电量分别为q1、q2，如图7所示，q1、q2即为题设所求。
现设这两个电容器的电容分别为C1、C2。由于左右金属板接地，因而两电容器相互并联，电压相等，
讨论 与左右两金属板相距为a和b的P点置一点电荷Q，在金属板上的感应电荷的多少，与三块平行金属板，左右两块金属板接地，中间一块金属板带电量为Q时，左右两块金属板上的感应电荷多少相等。这虽然是两种不同的情景，其内部的电场完全不同，但金属板上所感应出来的电量却是相等的，本题的解答正是抓住了感应电量相等这一唯一的等量关系，使本题的解法化繁为简。
（栏目编辑罗琬华）
电子电荷 篇7
下面是新、旧教材中的两种说法。
旧教材:研究电场, 必须在电场中放入电荷。这个电荷的电荷量应当充分小, 放入之后, 不致影响原来要研究的电场。体积也要充分小, 便于用来研究电场中各点的情况。这样的电荷称为试探电荷。——人民教教育育出出版版社社物物理理室室编编著著全全日日制制普普通通高高级级中中学学教教科科书书 (必修加选修) 物理第二册2003年6月第1版第121面。
新教材:如图1所示 (教材图1.2-1) , 试探电荷的电荷量和尺寸必须充分小, 对金属球O上的电荷分布不产生明显的影响, 从而原来的电场不因试探电荷的出现而有明显的变化。——人民教育出版社普通高中课程标准实验教科书物理选修31第一章第三节第12面。
两种说法中都从两个方面提出要求:一是试探电荷的电荷量;二是试探电荷的大小。旧教材的说法既考虑了试探电荷对场源电荷的影响, 即电荷量大会影响场源电荷的电场分布, 同时也考虑了场源电荷对试探电荷的影响, 即试探电荷体积大, 电荷重新分布, 无法确定电场中各点的情况。而新教材的说法则只考虑了试探电荷对场源电荷的影响。那么, 究竟哪种说法更加准确呢?现以新教材中所提供的实验为例, 分析如下, 仅供参考。
一、试探电荷的电荷量对实验的影响
实验中, 在金属球O的电场中放入试探电荷后, 由于电荷间存在相互作用, 金属球O上的电荷将在表面上重新分布, 从而使所研究的电场发生了变化。由于考虑的是试探电荷对场源电荷的影响, 不妨假设试探电荷为一点电荷。如图2中, 图a是未放入试探电荷时金属球O表面的电荷分布情况, 图b是放入带正电荷的试探电荷后金属球O表面的电荷分布情况。因此, 为了不对场源电荷的电场产生明显的影响, 试探电荷的电荷量必须充分小。
二、试探电荷的大小对实验的影响
实验中, 即使放入电场中的试探电荷的电荷量充分小, 对金属球O的电场不产生明显的影响, 但金属球O的电场仍会影响试探电荷的电荷分布, 这样试探电荷无法确定电场中具体位置的场强情况。由于考虑的是场源电荷对试探电荷的影响, 这里不妨假设场源电荷为一点电荷。如图3中, 图a是试探电荷未放入场源电荷电场中时表面的电荷分布情况, 图b是试探电荷放入带正电荷的场源电荷后试探电荷表面的电荷分布情况。因此, 为了便于研究电场中各点的情况, 试探电荷的尺寸必须充分小。
对点电荷平衡问题的分析 篇8
1.固定的是两个同种电荷
设固定两个正电荷q1和q2, 引入第三个点电荷为q3, 要使q3处于平衡状态, 必须使它受到平衡力作用, 即q1、q2对它的库仑力必须大小相等、方向相反.这样q3必须放在q1和q2之间, 并使三者共线, 如图1图示.由库仑定律可得:
因二者大小相等, 所以当q1>q2时, 必有r1>r2, 表明q3在q1和q2之间总是靠近带电量小的点电荷.
当固定的是两个负电荷时, 分析方法和得到的结论同上.
所以, 当固定的两个点电荷为同种电荷时, 引入第三个电荷应放在两个固定的点电荷之间, 使三者在同一直线上, 并且靠近带电量最小的点电荷, 才能保证第三个点电荷处于平衡状态.
2.固定的是两个异种电荷
设固定两个电荷是+q1和-q2, 引入第三个点电荷为+q3, 要使q3处于平衡状态, 必须使它受到平衡力作用, 即+q1、-q2对它的库仑力必须大小相等、方向相反.这样q3必须放在q1和q2的两侧, 并使三者共线, 如图2所示.由库仑定律可得:
所以, 当固定的两个点电荷为异种电荷时, 引入第三个点电荷应放在两个固定的点电荷的两侧, 使三者在同一直线上, 并且靠近带电量较少的点电荷, 才能保证第三个点电荷处于平衡状态.
例题1 真空中两个点电荷, 电荷量分别为 q1=8×10-9C和 q2=-18×10-9C, 两者固定于相距20 cm的 a、b 两点上, 有一个点电荷放在 a、b 连线上 (或延长线) 的某点, 恰好能静止不动, 则这点的位置是 ( )
(A) a点左侧40 cm 处
(B) a 点右侧8 cm 处
(C) b点右侧20 cm 处
(D) 以上都不对
分析:a 所带的电荷量比 b 少, 由以上分析可得引入的点电荷只有放在 a 的左侧才可能处于平衡状态.设它在 a 的左侧与 a 的距离为 r 处处于平衡状态.由库仑定律可得:
解得 r=40 cm.正解答案为 (A) .
二、三个不固定的点电荷都处于平衡状态的条件.
1.三个点电荷都为同种电荷时, 根据力的平衡条件可知它们不可能同时处于平衡状态.
2.根据力的平衡条件可得要使三个点电荷都处于平衡状态, 必须保证三个点电荷在同一直线上, 设q1、q2和q3依次分布在同一直线上且都处于平衡状态, 当q2为正电荷时, q1和q3必须都为负电荷;当q2为负电荷时, q1和q3必须都为正电荷.即分布在两边的必为同种电荷, 中间的为异种电荷.
3.设三电荷处于平衡状态位置如图3所示.以q1为研究对象, 由库仑定律得:
根据力的平衡条件可得q3>q2;同理以q3为研究对象, 可得q1>q2, 所以处在中间位置的点电荷的电量是最小的.
再以q2为研究对象, 由库仑定律可得:
所以当 r1>r2时, 有q1>q2, 表明处在中间的q2靠近另两个电量较小的点电荷.
因三个点电荷都处于平衡状态, 所以有
由此可得:
另外还可以得到:
所以, 三个点电荷同时处于平衡状态时, 三点一定在同一直线上, 位于两端的电荷是同种电荷, 位于中间位置的电荷电量最小, 而且靠近另两个电量较小的点电荷, 若按q1、q2、q3的顺序排布则有
例题2 在真空中有A、B、C三个点电荷, 依次放在同一直线上, 都处于平衡状态, 若三个点电荷的电荷量、电荷的正负及相互距离都未知, 根据平衡能判断出这三个点电荷的情况是 ( )
(A) 分别带何种电荷
(B) 哪几个同号, 哪几个异号
(C) 哪一个电荷量最小
(D) 电荷量大小的排序
分析:由以上分析可得三个点电荷按A、B、C的顺序排在同一直线上处于平衡状态时, 从位置上看两端的A、C应是同种电荷, 为同号.从电量上看处在A、C之间的B的电量是最小的.因相互距离不定, 所以电量大小排序不能确定, 正确答案为 (B) 、 (C) .
三、学生练习
1.如图4所示, 三个点电荷q1、q2、q3固定在一直线上, q2与q3的距离为q1与q2距离的2倍, 每个电荷所受静电力的合力均为零, 由此可以判定, 三个电荷的电量之比q1∶q2∶q3为 ( )
(A) -9∶4∶-36 (B) 9∶4∶36
(C) -3∶2∶-6 (D) 3∶2∶6
2. (2001年全国高考试题) 如图5所示, q1、q2、q3分别表示在一条直线上的三个点电荷, 已知q1与q2之间的距离为l1, q2与q3之间的距离为l2, 且每个电荷都处于平衡状态.
(1) 如果q2为正电荷, 则q1为__电荷, q3为__电荷.
(2) q1、q2、q3三者电荷量大小之比是__∶__∶__.
3.真空中有两个固定的带正电的点电荷, 其电量Q1>Q2, 点电荷q置于Q1、Q2连线上某点时, 正好处于平衡, 则 ( )
(A) q一定是正电荷
(B) q一定是负电荷
(C) q离Q2比离Q1远
(D) q离Q2比离Q1近
参考答案∶1. (A)
2. (1) 负、负
3. (D)
液晶面板极化电荷缓慢释放的分析 篇9
在液晶面板PI层上施加一定电压时, 就会聚集大量的电荷, 而当所加电压消失时, 这些聚集的电荷也必然要释放, 但因为电荷介电效应, 这些聚集的电荷不会立刻释放消失, 而是会出现几种情况, 有些聚集电荷释放很快, 有些则很缓慢。聚集电荷很快释放的称之为快电荷, 它是液晶面板PI层上聚集电荷的主要成分, 聚集电荷缓慢释放的称之为慢电荷和束缚极化电荷, 这部分电荷会使液晶面板出现图像残留等现象, 这是液晶显示所不需要的, 对这些电荷缓慢释放的情况进行分析是必要的, 文章从这一点出发运用电解质极化理论的慢极化和束缚极化理论来分析液晶面板PI层上极化电荷缓慢释放的原因, 得出了液晶面板PI层上聚集电荷缓慢释放的时间和液晶的几何尺寸有关的结论。
2 理论基础
两种不同电介质施加一定电场, 会引起介质表面极化, 此时电极表面要生成三种电荷, 总电荷为:
其中遵从麦克斯韦理论生成速度快, 电场消失时又很快释放, 是电荷形成和释放初期的主要部分[1], 称为快电荷, 这部分电荷的聚集和释放, 文章不做分析讨论;也要释放, 但不遵从麦克斯韦理论, 释放速度缓慢, 会持续数小时之久, 称为慢电荷, 文章主要利用电介质的慢极化自由弛豫理论来分析释放的具体情况;为表面束缚极化电荷, 在零电场恒温平衡状态下不释放, 束缚极化电荷的产生来自于物质体系的二、三级结构, 这些结构的运动需热运动起伏能量的激活, 响应速度慢, 并且高级这些结构又存在许多不同的热平衡态, 不同平衡态性质各异, 外界作用可使之从一个平衡态过渡到另一平衡态, 称为记忆效应或亚稳态。在温度不太高, 外力作用不强时, 这种稳态可以长久地保持, 一般可以认为是平衡态。可以认为这些电荷是物质结构极化效应的反映。
3 慢电荷的释放
利用电介质的慢极化自由弛豫理论可以解释聚集电荷的缓慢释放, 李景德等已经用实验证明了电介质介电效应中存在快和慢两种效应, 介电慢效应与物质的体系自由边界有关, 实验研究证明慢极化效应来源于电介质的二级和三级结构带的束缚空间电荷或局域偶极矩的运动[2]。有关线型参数[3]和响应时间[4]的理论实验已经证明, 慢效应和样品的形状尺寸是有关的。如图1所示, 为液晶分子层厚度, V为所加电压, 介质的慢极化强度为:
两电极短路, 使快极化电荷消失, 外电场为0, 此时体系的非热平衡空间电荷初始态分布:
经足够长时间, 体系回复到平衡态时:
电位移的等效扩散方程为:
利用边界条件:
以上 (1-5) 式可以用来描述体系中的非平衡态正空间电荷的扩散, 一般来说正空间电荷与等效扩散系数D相差很大, 故简化处理时可以只考虑一种扩散机构。设较大, 则可以认为有确定的值, 进行Laplace变换:
令带入 (2) 、 (4) 、 (5) 式, 得到:
对 (7) 式做Laplace变换, 并用 (8) 式计算得到:
且:
解得:
做逆Laplace变换得到:, 当不太大时, 用边界条件得到:
负空间电荷扩展到时使介质表面极化电荷数目减少:
其中:可解得:
于是:
4结论
由以上分析及 (15) 式可知, 慢极化性质和介质的整体几何尺度有关系, 即液晶面板PI层上聚集电荷的释放时间与液晶分子层厚度或液晶盒厚度平方成正比关系, 液晶分子层厚度或液晶盒厚度越厚, 则液晶面板PI层上聚集电荷的释放时间越长。
参考文献
[1]雷德铭, 冷叔贤, 余延胜, 等.铁电体高电阻的测量[J].无机材料学报, 1991 (101) :3.
[2]李景德, 沈韩, 陈敏.电介质理论[M].北京:科学出版社, 2003.
[3]李景德, 陈敏, 郑风, 等.电解质物理中的慢效应[J].Science in china, 1997 (A40) :290.
一种小型电荷放大电路设计 篇10
由于压电传感器发生变形后产生的是电荷量, 需要电荷放大电路进行处理。压电传感器的应用越来越广泛, 领域涉及到航海、航空、医疗、防盗等等, 且一些领域需要传感器阵列, 相对应的需要多个电荷放大器。目前市场上电荷放大器价格昂贵, 体积较大, 不适合某些特定的场合, 因此本文设计出一种低成本、电路相对简单的电荷放大电路, 通过仿真和实验验证, 该电路工作性能良好。
1 压电传感器压力检测原理
压电材料经过极化后, 在外力的作用下上下表面会产生正负极性相反的电荷, 即压电效应[1]。一定面积的压电传感元件受到的外力F与产生的电荷Q之间满足下面的公式:
其中d33为压电传感元件在电轴和机械轴3 方向上的应变常数。
根据压电传感元件的正压电效应, 压电传感元件可以等效为一个电荷源与一个电容并联的情况 (见图1 (a) ) 。等效电容量为
其中, Ca为压电薄膜的等效电容; ε 为介电常数;A为压电薄膜的面积;δ为压电薄膜的厚度。
当两板间聚集一定的电荷时, 两板间又出现一定的电压, 电压值见式 (3) 。因此压电传感元件又可以等效为一电压源与一个电容串联的情况 (见图1 (b) ) 。
其中, Ua为两极板间的电压;Q为两极板上聚集的电荷量; Ca为两极板间电容。
实际使用时, 压电传感器通过导线与测量仪器相连, 连接导线上存在寄生电容, 其等效值为CC, 前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci也会对电路产生一定的影响, 加上压电传感器自身的绝缘电阻Ra, 压电传感器的等效电路可以等效为图2所示的电路。
压电传感元件表面产生的电荷需要将其转换为电压后才能进行后续的处理, 由于压电传感元件自身的内阻很高, 达到1010Ω , 而输出的电荷信号很微弱, 需要用输入阻抗很高的前置放大器将电荷信号转化为电压信号, 将高输入阻抗转化为低输入阻抗, 然后再用一般的放大检波电路将信号输入到检测电路中。
前置放大器分为电压放大器和电荷放大器, 本文选择电荷放大器。由于压电传感元件和电荷放大器的输入阻抗很高, 电荷放大器输入端基本上没有分流, 因此可以略去Ra和Ri (如图3) 。图3 中Cf和Rf分别代表电荷放大器的反馈电容和反馈电阻。
电荷放大电路中, 放大器的输出电压与输入电荷之间的关系如式 (4) , 通常合适的电荷放大器增益A的值在104~108, 此时, (1 + A ) Cf>>Ca+ Cc+ Ci, 因此式 (4) 可以近似化简为式 (5)
由式 (5) 可知, 电荷放大器的输出电压U0只与输入电荷Qa和反馈电容Cf相关, 与电缆电容Cc无关, 且与Qa成正比。所以, 采用电荷放大器时, 即使连接电缆较长, 更换电缆线, 其灵敏度也无明显变化。
2 电荷放大电路的设计
压电传感元件表面受到外力作用产生的电荷被传输到外接电路中, 如果测试的是静态力, 则表面不再产生电荷。如果要测量静态力, 则电荷转换电路的反馈电阻阻值需要很大[2]。由于本文所设计的电荷转换电路反馈电阻较小, 适于测试压电传感元件的动态力。电荷放大电路包括了前置放大电路、电压放大电路、工频陷波电路以及抑制零漂的直流反馈网络。
2.1 前置放大电路
在动态力的作用下, 表面产生的电荷可以等效为电流。本文选择AD549 作为电荷转换器, AD549[3]是具有极低输入偏置电流的运算放大器。其相关参数如表1所示。
该电路的低频截止频率fL为公式 (6) 。由公式 (6) 可知增大电阻Rf和电容Cf都能够获得更低的低频截止工作频率。但是增大Rf, 零点漂移也随之增大;增大Cf, 由式 (5) 可知输出电压减小。为了实现输出的动态归零, 本文选用T型电阻反馈, 经过计算其反馈电阻阻值Rf等于1.1 GΩ 。反馈电容选择200 p F, 由公式 (6) 得到该电路的低频截止频率为0.724 Hz。
2.2 电压放大电路
电压放大器选用微功耗仪用放大器AD627[4], 其直流误差小、共模抑制比高, 放大倍数最大为1 000 倍, 只需调节1 和8 脚的外接电阻即可实现, 适合微弱电压信号的放大。其放大倍数计算公式为:
式中Rg为1 脚和8 脚的外接电阻。本文选取Rg为8 kΩ , 经过计算其电压放大倍数为30 倍。压电传感元件产生的电荷信号经过前置放大电路和电压放大电路后, 其输出电压Uk与传感器产生电荷 Δq之间关系式如式 (8)
2.3 工频陷波电路
压电传感元件灵敏度高, 极易受到外界干扰, 尤其是50 Hz工频干扰。为了消除干扰, 本文选用美国NI公司生产的四阶椭圆陷波器LMF90[5]。其陷波中心频率 (见式 (9) ) 可以通过外接晶振来实现。本文选择外接晶振频率为3.549 545 MHz, 经过计算后其陷波中心频率为49.99 Hz。
其中f0为陷波器的中心频率; fx为外接晶振的频率;div为时钟分频因子;ratio为时钟频率与陷波中心频率比例因子。陷波带宽由引脚1 和10的外接电平来设定, 本文使1和10脚接地, 则陷波带宽的计算值为13 Hz。
3 电荷放大电路Multisim10 仿真
通过Multisim10 对上面设计的电路进行仿真, 由于Multisim10 中没有电荷源, 而压电传感元件可以等效为电压源与电容串联的情况, 因此本文选取100 m V的正弦波串联一个电容C1等效压电传感元件[6]。仿真电路图如图4所示。通过修改电容C1, 连接导线电容CC来观察前置放大电路与电压放大电路的输出电压幅值U0与Uk (结果见表2) , Cf设置为200 p F。由于Multisim10中没有LMF90 芯片, 因此本文设计了一个中心频率为50 Hz、放大倍数为1 的典型二阶带阻滤波器, 观察其陷波效果。选择R的值为32 kΩ , C的值为100 n F。仿真时提供一个50 Hz和200 Hz的正弦信号, 结果 (图5所示) 表明带阻滤波器对50 Hz的正弦波进行了有效的抑制。
由表2 可知, 使用电荷放大器作为前置放大器, 连接导线的电容CC对灵敏度的影响很小, 可以忽略不计。表2也对公式 (5) 、 (7) 、 (8) 进行了验证。同时也证明前置放大电路选择AD549 是可行的。
不施加电压源的情况下, 测试前置放大电路和电压放大电路的输出, 通过示波器查看存在零点漂移, 分别为5.138 m V和-146.717 m V。为了抑制零点漂移, 本文选用AD711 设计了直流反馈网络 (如图4所示) , 加入直流反馈后电压放大电路输出电压为-4.230 mv。本文在仿真的基础上, 搭建了硬件电路。
4 硬件电路搭建和检测
硬件电路通过实验板搭建, 芯片选择为直插型。由于温漂对电荷放大电路的影响较大, 本文在搭建电路时选择温度性能较好的聚苯乙烯电容和金属膜电阻, 减少温度的影响。在零输入情况下, 通过调节AD549 的调零电位器使电压放大电路的输出电压归零。电荷放大电路中使用的芯片都采用双电源 ±5 V供电, 通过ICL7660 芯片提供-5 V电压。使用Tektronix数字示波器检测搭建的信号调理电路, 在没有输入信号的条件下, 零点漂移小于20 m V, 对50 Hz工频干扰进行了有效的抑制。除工频干扰外, 信号调理电路受到的干扰主要包括高频噪声干扰、声干扰和电缆噪声干扰。为了更好地抑制干扰, 设计制作了铝屏蔽箱。
采用锦州科信公司生产的聚偏氟乙烯 (polyvinylidene fluoride, PVDF) 压电薄膜传感器验证搭建的电荷放大电路的可行性, 其厚度为30 μm , 尺寸为8mm×50mm (见图6) 。PVDF压电薄膜是一种高分子聚合物型敏感材料, 具有质量轻、灵敏度高和柔韧性好的特点[7]。PVDF压电薄膜的频率响应范围很宽, 为0.015 Hz~109Hz。既适用于低频也适用于高频。将PVDF压电薄膜粘贴在桌面上, 在脉冲压力的作用下, 使用Tek数字示波器检测电荷放大电路输出图 (图7 中a) 和前置放大电路输出图 (图7中b) 。
5 结论
通过研究压电传感器和电荷放大器的工作原理, 设计了一种电荷放大电路, 通过仿真和实验对工作原理进行了验证, 针对实验中的各种干扰, 制作了铝屏蔽箱, 实验测试表明, 该电路具有抗干扰性好, 动态响应好, 成本低等优点。
参考文献
[1]刘爱华, 满宝元.传感器原理及应用[M].北京:人民邮电出版社, 2006:160-165.
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[6]李黎, 朱嘉林.小体积高性能电荷放大器的研制[J].电子元件与材料, 2014, 33 (4) :52-55.
电子电荷 篇11
一、 创新教学模式，加强过程探究
在传统的高中物理教学模式中，学生的学习是一个被动的过程，老师只管填鸭式讲课，过多的侧重于学生是否能接受，而没有注重学生智力的开发，更没有关注是否激发了学生的学习兴趣。现在已有的教学模式不能满足教学的目的了，因此要创新，让学生从以前的被动学习变成主动的学习探究。比如，教材中的洛伦兹力这一节内容，按照大纲，已有的教学模式主要是要求学生学会洛伦兹力的计算公式，即用f=qvB来计算力的大小，并要掌握力的方向的判断，即洛伦兹力的左手定则。但是课本上对于这两点的讲解只是直接给出了结论，并没有讲解其探究的过程，这样在课堂上，学生只能是被动的接受知识。因此想要引起学生的兴趣，开发学生的智力，就要求老师创新教学模式，可以通过实验演示的方法来进行探究说明，如图 1 所示，教师首先把阴极射线管与匀强磁场组合，先不加匀强磁场，打开加速电源，形成电子束，可以发现摄像头清晰显示一段蓝色阴极射线，方向竖直向上。然后再加上匀强磁场，发现阴极射线束左偏，说明受到了洛伦兹力作用。继续加大磁场，发现阴极射线束左偏形成圆形轨迹，如图2，说明一定存在做匀速圆，并且该电子受洛伦兹力的方向指向圆心。再引导学生认识到洛伦兹力方向与速度方向、磁场方向存在一定关系，让学生找到左手可以表示这些关系，左手定则就这样出现，潜移默化告知学生这仅仅是一种表示方法，让学生明白为什么用左手定则来判断洛伦兹力的方向。
图1阴极射线管与匀强磁场组合
图2真实阴极射线管空间分布
二、增加实践教学，培养动手能力
在高中物理教学中，演示实验是引起学生兴趣、开发学生智力的重要手段，同时也能有效的提高教学质量。每当开始新的一节内容时，老师用演示实验做导课，学生因为导课内容而对即将学习到的新知识而产生浓厚的学习兴趣，从而激发学生主动的接受知识，从而顺利的达到教学目的。比如，开始新内容时用演示实验导课：观察通了电的螺线管，会发现槽内的电解液不停的旋转，学生会因为这一现象而对新课内容感兴趣，激发学生想了解其内容，从而主动的去学习、探究，再经过老师的讲解，顺利的达到物理教学的目的。再比如，在讲显像管时，其工作原理是重要的一个知识点，通过实验的模拟，既让学生深刻理解其内容，还能培养了学生实验动手能力，更能满足学生的好奇心。
三、运用科技手段，丰富课堂内容
现代教学中，很多老师开始喜欢运用计算机的多媒体来辅助教学，因为随着计算机技术的快速发展，多媒体可以将一些抽象的、难理解的微观现象及其发展的经过通过动画、图像、声音等有形的东西形象、直观的展现在课堂上，更利于学生的理解，同时还能激发学生的学习兴趣。比如，讲授洛伦兹力时其中的“安培力是洛伦兹力的宏观表现”，对于这一结论，如果单纯的让老师用嘴去解释，学生是难以理解的，制作一个flash动画：一段通电导线垂直于磁场方向放入匀强磁场中，安培力对其产生作用，导线切面的图上显示每个电子的定向移动方向恰恰相反与电流的方向，导线受到的安培力正好就是每个运动电荷受到的洛伦兹力合力。通过flash动画的演示，学生能够透彻的理解这一结论，清楚的认识了微观上的安培力，就不需要老师再多做其它的解释。又比如，讲解用左手定则去判断洛伦兹力的方向时，用flash动画去演示怎样运用左手定则判断方向将会形象很多，通过三维动画图片来展现磁场方向、电荷运动方向、洛伦兹力方向三者之间的关系；关于极光的形成原因，首先展现出地球磁场的空间分布图，再展现出垂直的射向地球的向东偏转正电荷与长驱直入的两极正电荷，通过动画的演示，学生更容易理解、接受，在提高教学质量的同时解决了教学难点。
四、结语
综上所述，在高中物理教学中演示实验出现的频率非常高，如此高频率的出现就需要老师们在日常教学过程中特别的注重演示实验课的设计了，既不能让学生们只是乐在上演示实验课，也不能让学生有了视觉疲劳，无论怎样在运用演示实验时一定要遵循简单的操作、高的可见度、直观的现象、明确的目的、适度的演示和高效的成功率等基本的原则。新课改要求老师们要充分发挥想象力在已有的教学模式上创新，而演示实验正好迎合了新课改的这一特点，因此演示实验可以真正发挥其特长，通过结合现代化教学手段，在以后的高中物理教学中必将起到极其关键的作用。
参考文献
[1]人民教育出版社物理室编著.物理（第二册）[M].北京：人民教育出版社，2006：150-160.
[2] 吴海清，黄尚鹏.高中物理中磁场对运动电荷的作用之教学反思[J]. 高等函授学报（自然科学版），2012（5），88-89.
高速低功耗CMOS电荷泵的设计 篇12
电荷泵是锁相环路关键组成部分之一。在锁相环路中,他的作用是将鉴频鉴相器输出的数字信号up和down转化为模拟电压信号,再由这个电压信号控制压控振荡器的频率变化[1]。因此,设计一个高性能的电荷泵十分重要。
随着微电子技术和集成电路的高速发展,速度与功耗成为ASIC设计中需要考虑的两大重要方面。本文从这一点出发,设计出一种新型的高速、低功耗电荷泵电路,并在Hispce仿真平台下进行了验证。
1 传统电荷泵电路
电荷泵实际上是由2个上下对称的电流源和2个开关组成的[2]。当up为有效电平时,开关S1闭合,电容C通过Iup充电,Vc升高;当down为有效电平时,开关S2闭合,电容C通过Idn放电,Vc下降;当up和down均为无效时,2开关断开,Vc保持不变。
图1为传统电荷泵的实现,两个MOS管作为开关,up和down两个信号直接控制MOS管的工作状态,M1,M2充当电流源,由Vb1和Vb2提供偏置。
然而,传统电荷泵在电路结构上存在很大的缺陷,如会在MOS管的漏端产生电荷注入和时钟溃通现象;电流源Iup和Idn存在电流失配问题以及电荷分享效应等,从而直接影响电荷泵的整体工作性能。
2 新型电荷泵电路的设计
对于传统电荷泵的的改进,在一定程度上削弱了MOS管带来的非理想性。然而这却加深了电荷泵充放电流的失配程度,引起相位偏差。本文针对电流失配问题提出了新型电荷泵。可以定义电流失配比[3]如下:
其中,Iup,Idn分别为电容充放电电流值;ΔV为输出电压值的变化,Rout为输出电阻。通过式(1)可以看到减小失配可以通过增大输出电阻实现。因此,可以根据这一点设计电荷泵。首先,引入增益增强电路[4]。如图2所示:
在图2中,由于运放A的反馈作用,使得节点X的电压Vx始终与参考电压Vb保持相等。因此,只要维持Vb不变,对于X点电压微小的波动,流过ro1的电流以及输出电流都会保持很稳定,因此,该电路有很高的输出阻抗,将M2用小信号模型替代可以得到输出阻抗为:
在小信号工作下,Vb可以设置为0, 用单个的MOS管放大器M3代替运放可以得到图3。
同样采用小信号模型可以得到其输出阻抗为:
该值相当于3层共源共栅电路[5]的输出阻抗。
基于以上原理,本设计的电荷泵电路,如图4所示。
该电路的工作原理如下:MP4,MN4分别为晶体管放大器MN3和MP3提供电流偏置。MN1和MP1作为开关管,输出阻抗为。当DN为有效电平时,MN1,MN2及MN3构成增益增强电路,同理,当UP为有效电平时,MP1、MP2及MP3也可构成增益增强电路。该电荷泵电路电流匹配特性很理想,如图5所示,在电荷泵输出电压范围为0.8～2.4 V内,电流失配率低于0.6%。
由于该电路不需要像传统电路那样通过增加共源共栅电路来增加输出阻抗,因而可在较低的电源下工作,同时还具备较高的速度,可实现高速低功耗的目的。此外,将开关管置于输出管的源极,在设计时让MN2和MP2工作在饱和区与截止区之间,可以起到消除电荷分享的目的。
3 仿真与分析
本文采用0.35 μm工艺,LEVEL=49的CMOS模型参数对上述电路进行HSpice仿真。电荷泵电流为50 μA,电源电压为3.3 V。当输入125 MHz的时钟信号时,电荷泵输出波形如图6和图7所示。在图6中,设置UP信号为脉冲信号,DN信号始终为低电平,从图中可以看出对电容的充电是一个阶梯电压稳定的上升过程。
同样在图8中设置DN信号为脉冲信号,UP信号始终为高电平,可以看出对电容的放电是一个阶梯电压稳定的下降过程。整个电路的平均功耗约为0.3 mW。
4 结 语
本设计引入增益增强电路取代了传统电路中引用共源共栅来增加输出阻抗,很好地改善了电流失配问题,并具有高速、低功耗的特点,符合当今ASIC发展的要求。
摘要：提出一种适用于锁相环路的高速、低功耗电荷泵电路的设计。针对传统电荷泵电路的电流失配问题,本设计引入增益增强电路取代了传统电路中引用共源共栅来增加输出阻抗,大大提高了电路的性能。采用0.35μmCMOS工艺实现,在HSpice的平台下进行仿真。仿真结果表明,该电路充放电时间为40 ns,整体平均功耗为0.3 mW,实现了高速低功耗的目的。
关键词：电荷泵,CMOS,高速低功耗,电流失配
参考文献
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