靜態(tài)場(chǎng)的應(yīng)用課件

靜態(tài)場(chǎng)的應(yīng)用

一、電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn)的應(yīng)用

（一）陰極射線示波管

圖1陰極射線示波管

圖1說(shuō)明了陰極射線示波管(cathod-rayoscilloscope）的基本特征。管體由玻璃制成，并被抽成高度真空，陰極被燈絲加熱后發(fā)射電子，陽(yáng)極與陰極間有幾百伏的電位差，電子朝向陽(yáng)極加速。陽(yáng)極上有一個(gè)小孔允許極細(xì)的一束電子通過(guò)，這些被加速的電子將進(jìn)入偏轉(zhuǎn)區(qū)，在那里它們發(fā)生水平和垂直兩個(gè)方向上的偏轉(zhuǎn)。最后，這些電子轟擊一個(gè)由能發(fā)射可見(jiàn)光的物質(zhì)（碘）所覆蓋的熒光屏的內(nèi)表面，發(fā)出可見(jiàn)光而生成圖像。

設(shè)電子從陰極表面上發(fā)射出來(lái)的初速度為零，V1為陽(yáng)極和陰極之間的電位差，電子到達(dá)陽(yáng)極時(shí)的速度可由其動(dòng)能的增益而求得為

L是上、下垂直偏轉(zhuǎn)板間的距離。設(shè)電子的電量為－e，質(zhì)量為m，作用在電子上的電場(chǎng)力為：

方向向上。忽略電子的重力，沿z方向的加速度為：

電子沿z方向的速度為：（5）

設(shè)t＝0時(shí)uz＝0，z＝0，所以電子在z方向的位移為：

而電子t時(shí)刻在x方向的位移是：

電子離開(kāi)垂直偏轉(zhuǎn)區(qū)所需要的時(shí)間為：

由（4）式、（6）式和（7）式可以求得電子在垂直偏轉(zhuǎn)區(qū)軌跡：

x＝d對(duì)應(yīng)的z方向上的速度是

而x方向速度保持不變。當(dāng)電子離開(kāi)垂直偏轉(zhuǎn)區(qū)時(shí)，它沿直線運(yùn)動(dòng)，因x方向與z方向的速率都保持恒定。速度u與x軸的夾角為θ，而

電子經(jīng)過(guò)距離D到達(dá)熒光屏所需時(shí)間為，因此

將ux代入上式，得到電子撞擊熒光屏?xí)r垂直方向總位移為

顯而易見(jiàn)，如果陽(yáng)極和陰極間電位差保持恒定，電子的偏轉(zhuǎn)量與垂直偏轉(zhuǎn)板間的電位差成正比。同理，水平偏轉(zhuǎn)板間的電位差，可以使電子在y方向上運(yùn)動(dòng)。因此，電子束撞擊熒光屏的點(diǎn)的位置依賴于水平和垂直偏轉(zhuǎn)電壓。

（b）電子在z方向上的加速度和速度可分別由（4）式和(5)

式求得

（c）電子將在時(shí)刻t＝T時(shí)離開(kāi)偏轉(zhuǎn)板，而

因此，z方向上的速度為

電子的總位移可由式（13）求得

（二）噴墨打印機(jī)

圖3

噴墨打印機(jī)（ink-jetprinter）是一種基于靜電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)原理，可以提高打印速度，改善打印質(zhì)量的打印機(jī)。在噴墨打印機(jī)內(nèi)，以超聲頻率振動(dòng)的噴嘴按一定間距噴出非常細(xì)微且大小一致的墨滴,如圖3所示。這些墨滴在經(jīng)過(guò)帶電板間時(shí)，按照與要打印的字符成正比的方式獲得電荷，由于兩垂直偏轉(zhuǎn)板間電位差一定，墨滴垂直方向位移與所帶電荷量成正比。若不使墨滴帶電荷，則得到字符間的空白（此時(shí)墨滴由儲(chǔ)墨器收回）。在陰極射線示波器中，電子的水平位移是通過(guò)均勻改變水平偏轉(zhuǎn)板間的電位差實(shí)現(xiàn)的。而在噴墨打印機(jī)中，打印頭以恒速水平移動(dòng),達(dá)到每秒形成100個(gè)字符的速率。

由于運(yùn)動(dòng)部分很少，噴墨打印機(jī)與撞擊式打印機(jī)相比，顯得更安靜，更可靠。同時(shí)，撞擊式打印機(jī)僅能打印在打（三）礦物的分選

1、利用電場(chǎng)分選

靜電偏轉(zhuǎn)原理也被應(yīng)用于礦業(yè)來(lái)分選帶異種電荷的礦物。例如，在一臺(tái)礦砂分選器中,磷酸鹽礦砂含有磷酸鹽巖石和石英。將其送入振動(dòng)的進(jìn)料器中,如圖4所示。振動(dòng)使得磷酸鹽巖石微粒與石英顆粒發(fā)生摩擦。在摩擦過(guò)程中,石英顆粒得到正電荷,而膦酸鹽顆粒得到負(fù)電荷。帶異種電荷的微粒的分選由平行板電容器中的電場(chǎng)來(lái)完成。

圖4圖5

為了導(dǎo)出帶電粒子在平行板電容器運(yùn)動(dòng)軌跡的表達(dá)式，設(shè)石英的質(zhì)量和電量分別為m和q。令其在進(jìn)入兩平行極板間帶電區(qū)域時(shí)的初始速為零，如所示：于是在t＝0時(shí)，ux＝0且uz＝0。重力產(chǎn)生的加速度在x方向。在任意時(shí)刻t，x方向的速度和位移分別為

帶電微粒在z方向的運(yùn)動(dòng)可以描述如下：

由式（2）和（5）可以得到每一帶電微粒運(yùn)動(dòng)軌跡為

這個(gè)方程揭示出一個(gè)帶電粒子在平行板區(qū)域的軌跡為一條直線。帶電粒子在x＝d處離開(kāi)平行板區(qū)域所需用的時(shí)間為

例：進(jìn)入振動(dòng)進(jìn)料器后，一個(gè)2g重的石英微粒獲得了100

nC的電荷，該微粒由兩平行極板上沿中心處開(kāi)始自由

下落。兩極板長(zhǎng)2m，相距50cm，電位差為10kv，試

求該粒子到達(dá)板下沿時(shí)的位置和速度。

解：由式（7），該粒子離開(kāi)板所需用的時(shí)間為

由式（3），石英微粒在平行板間的加速度為

在t＝T時(shí)刻，z方向的位移為：

粒子離開(kāi)時(shí)在x和z方向的速度分別為

因此，石英微粒離開(kāi)時(shí)的速度為

2、利用磁場(chǎng)分選

磁分離器（magneticseparator)，如圖6，是靜磁場(chǎng)一個(gè)重要的應(yīng)用，它是為分離磁性物質(zhì)和非磁性物質(zhì)而設(shè)計(jì)的。磁性物質(zhì)和非磁性物質(zhì)的混合物在傳輸帶上勻速傳輸。傳輸帶繞過(guò)磁性滑輪，后者有鐵殼和激勵(lì)線圈組成，該激勵(lì)線圈可產(chǎn)生磁場(chǎng)。非磁性物質(zhì)立刻落入一個(gè)倉(cāng)室內(nèi)，而磁性物質(zhì)被滑輪吸住直到傳輸帶離開(kāi)滑輪才落下來(lái)。因此，磁性物質(zhì)繞著滑輪往前傳送然后落入第二個(gè)倉(cāng)室。

圖6

B越近，場(chǎng)強(qiáng)越大。B附近的空氣分子被強(qiáng)電場(chǎng)電離,成為電子和正離子。正離子被吸到B上，得到電子，又成為分子。電子在向著正極A運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，遇到煙氣中的煤粉，使煤粉帶負(fù)電，吸附到正極A上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中。靜電除塵用于粉塵較多的各種場(chǎng)所,除去有害的微粒，或者回收物資，如回收水泥粉塵。（動(dòng)畫(huà)jdcc）

2、靜電復(fù)印

靜電復(fù)印機(jī)的中心部件是一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的接地的鋁質(zhì)圓柱體，表面鍍一層半導(dǎo)體硒,叫做硒鼓。半導(dǎo)體硒有特殊的光電性質(zhì)：沒(méi)有光照射時(shí)是很好的絕緣體,能保持電荷；受到光的照射立即變成導(dǎo)體，將所帶的電荷導(dǎo)走。

圖8曝光

圖9顯影

復(fù)印每一頁(yè)材料都要經(jīng)過(guò)充電、曝光、顯影、轉(zhuǎn)印等幾個(gè)步驟，這幾個(gè)步驟是在硒鼓轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中依次完成的。充電:由電源使硒鼓表面帶正電荷。曝光:利用光學(xué)系統(tǒng)將原稿上的字跡的像成在硒鼓上（圖8）。硒鼓上字跡的像，是沒(méi)有光照射的地方,保持著正電荷；其他地方受到了光線的照射，正電荷被導(dǎo)走,這樣在硒鼓上留下了字跡的“靜電潛像”。這個(gè)像我們看不到，所以稱為潛像。顯影:帶負(fù)電的墨粉被帶正電的“靜電潛像”吸引,并吸附在“靜電潛像”上，顯出墨粉組成的字跡（圖9）。轉(zhuǎn)印:帶正電的轉(zhuǎn)印電極使輸紙機(jī)構(gòu)送來(lái)的白紙帶正電,帶正電的白紙與硒鼓表面墨粉組成的字跡接觸，將帶負(fù)電的墨粉吸到白紙上(圖10)。此后，吸附了墨粉的紙送入定影區(qū)，墨粉在高溫下熔化,浸入紙中，形成牢固的字跡。硒鼓則經(jīng)過(guò)清除表面殘留的墨粉和電荷，準(zhǔn)備復(fù)印下一頁(yè)材料。圖11表示復(fù)印的全過(guò)程。

圖11復(fù)印的全過(guò)程

3、靜電的其它應(yīng)用

例如：靜電噴漆，靜電植絨，靜電離子水除垢等。

4、靜電的危害

在造紙、制革、化纖、塑料、橡膠、印刷及粉體材料（例如炸藥、面粉……等）的生產(chǎn)、加工、輸運(yùn)等工藝過(guò)程中，由于摩擦、分離會(huì)產(chǎn)生靜電的積累，在液體（例如汽油、石油……等）、氣體的灌注、噴射等過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生靜電的積累。靜電的電位一般是較高的，例如人在穿、脫衣服時(shí)，可產(chǎn)生一萬(wàn)多伏的電壓（不過(guò)其總的能量是較小的）。

靜電的危害：①、使人體受電擊，②、影響產(chǎn)品質(zhì)量，③、引燃易燃易爆物質(zhì)，引起爆炸和火災(zāi)，導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。過(guò)去在國(guó)內(nèi)外都發(fā)生過(guò)此類事故，主要是由于靜電放電時(shí)發(fā)生火花將可燃物引燃所造成的。因此，在有汽油、苯、氫氣等易燃物質(zhì)的場(chǎng)所，要特別注意防止靜電的危害。

例如：民兵導(dǎo)彈（美國(guó)研制的一種地對(duì)地洲際彈道導(dǎo)彈）1962年進(jìn)行戰(zhàn)斗彈狀態(tài)的飛行試驗(yàn)時(shí),前兩發(fā)彈均遭到失敗。這兩發(fā)彈的故障現(xiàn)象相似，都是在Ⅰ級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)前炸毀的,一個(gè)高度為7.6km，另一個(gè)為21.8km。在炸毀前，兩發(fā)彈的制導(dǎo)計(jì)算機(jī)均受到脈沖干擾。經(jīng)過(guò)分析，故障是由于導(dǎo)彈飛行到一定高度時(shí)，在相互絕緣的彈頭結(jié)構(gòu)與彈體結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)了靜電放電，它產(chǎn)生的干擾脈沖破壞了計(jì)算機(jī)的正常工作而造成事故。

⑵、A所帶的電荷變化時(shí)（變化緩

慢的交變電場(chǎng)），接地線中出

現(xiàn)電流，這時(shí)：

①、B外表出現(xiàn)電荷分布，

②、接地電阻不可能完全為0，B的

電位也不為零，

∴B外仍有殘留的電場(chǎng)，屏蔽是不

完全的。

４、被動(dòng)屏蔽：屏蔽敏感設(shè)備，原

理上導(dǎo)體殼可以不接地，實(shí)際圖13被動(dòng)屏蔽

上一般也接地，圖13。

原理：導(dǎo)體殼內(nèi)是等位體，場(chǎng)強(qiáng)為0，……，

不接地，導(dǎo)體上的縫隙，孔洞都

可能引起電力線的泄漏，降低屏

蔽效果。

接地，導(dǎo)體殼內(nèi)、外靜電位都為

０，可防止電力線的泄漏，提高

屏蔽效果。

５、屏蔽效果

利用等效電路分析：干擾源

A和被干擾設(shè)備B之間加入屏蔽體

S，如圖14，UA……，C3很小，

可以忽略……，圖14

屏蔽體上的感應(yīng)電壓：

設(shè)備上的干擾電壓：

可以看出，要使UB減小，必須使C1、C2、ZS減小，只有使ZS＝0，才能使US＝0，UB＝0，即屏蔽體必須良好接地，才能提高屏蔽效果。

四、磁場(chǎng)屏蔽

１、屏蔽恒定磁場(chǎng)或變化緩慢的交變磁場(chǎng)。

屏蔽體：高磁導(dǎo)率材料［例如：鋼、鐵板(網(wǎng))、坡莫合金（含鎳45～80％，少量鉬、銅、鉻、釩、錳……）、…］

3、屏蔽原理：圖15，屏蔽

殼壁與空氣并聯(lián)……，

磁

阻，

空氣μr＝1，屏蔽殼μ

＞103，圖15磁場(chǎng)屏蔽

∴Rm殼＜＜Rm空氣，B線集中在屏蔽殼的壁內(nèi)(聚磁作用),殼

內(nèi)B≈0――磁場(chǎng)屏蔽。

４、屏蔽效果

①、定義：

②、磁場(chǎng)的屏蔽效果，

t：屏蔽體的厚度

R：與屏蔽體體積相等的球體的半徑，

設(shè)屏蔽體的體積為V，則：

屏蔽效果常用分類表示：

磁屏蔽不可能把磁力線完全集中在屏蔽體內(nèi)（圖6－5），總有一些泄漏，采用雙層屏蔽，可以提高屏蔽效果。

五、電子束的電場(chǎng)聚焦

象光束通過(guò)凸透鏡（或透鏡組）時(shí)，因玻璃的折射作用，使光束聚焦成一個(gè)又小又亮的點(diǎn)一樣，也能使電子束通過(guò)一個(gè)聚焦電場(chǎng)，在電場(chǎng)力的作用下，電子運(yùn)動(dòng)軌道改變而會(huì)合于一點(diǎn)，結(jié)果在熒光屏上得到一個(gè)又小又亮的光點(diǎn)，產(chǎn)生這個(gè)聚焦的靜電場(chǎng)裝置，在電子光學(xué)里稱為靜電電子透鏡，如圖16所示。

電子槍內(nèi)的聚焦電

極A1與第二加速電

極A2組成一個(gè)靜電

透鏡，它的作用原

理如下：中間是A1

與A2之間的電場(chǎng)分

布的截面圖（V2＞

V1），虛線為等位

線，實(shí)線為電力線。

電場(chǎng)對(duì)Z軸是對(duì)稱

分布的，電子束中

某個(gè)散離軸線的電

子沿軌道S進(jìn)入聚

圖16

焦點(diǎn)場(chǎng)，在電場(chǎng)的前半?yún)^(qū)（左邊）這個(gè)電子受到與電力線相切方向的作用力f。f可分解為垂直指向軸線的分力fr與平行于軸線的分力fz(圖中A區(qū))。fr作用使電子運(yùn)動(dòng)向軸線靠攏,起聚焦作用；fz作用使電子沿軸線方向得到加速度。電子到達(dá)電場(chǎng)的后半?yún)^(qū)時(shí),受