降低氣壓測(cè)量密立根油滴平衡電壓的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及物理量的測(cè)量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在判斷一個(gè)物體受力平衡時(shí)，一般是以物體靜止或者處于勻速直線運(yùn)動(dòng)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)的情況都以是否處于靜止來(lái)判斷受力物體是否處于力平衡(合力為O)。
[0003]密立根油滴的直徑大致在微米的數(shù)量級(jí)，空氣分子之間的間距大致在納米的數(shù)量級(jí)，當(dāng)油滴接近于平衡時(shí)，油滴就相當(dāng)于懸浮顆粒，受到空氣分子的不規(guī)則的碰撞，油滴顆粒會(huì)出現(xiàn)布朗運(yùn)動(dòng)，即不規(guī)則的雜亂運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致油滴受力平衡的判斷比較困難。對(duì)于比較大的油滴，空氣分子對(duì)油滴的不平衡作用力相對(duì)油滴的重力較小(即質(zhì)量大、慣性大)，其懸浮時(shí)的穩(wěn)定性比較好，但是由于油滴大、質(zhì)量大、受空氣分子的作用較小，下落時(shí)的速度比較快(即下落的時(shí)間比較短)，測(cè)量其下落時(shí)間的誤差比較大(受制于人的生理反應(yīng)速度0.1秒，由于油滴比較細(xì)小，無(wú)法采用光電門(mén)等裝置進(jìn)行計(jì)時(shí)，一般都采用顯微鏡放大后進(jìn)行人為判斷其位置以及操作開(kāi)始計(jì)時(shí)和操作停止計(jì)時(shí))；當(dāng)油滴比較小的時(shí)候，受空氣分子碰撞作用的不平衡性表現(xiàn)比較大，布朗運(yùn)動(dòng)比較明顯，無(wú)法準(zhǔn)確確定其是否處于平衡狀態(tài)，導(dǎo)致平衡電壓的測(cè)量誤差比較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為減少氣體碰撞導(dǎo)致油滴不平衡作用力帶來(lái)對(duì)測(cè)量油滴平衡電壓的影響，本發(fā)明設(shè)計(jì)降低氣壓測(cè)量密立根油滴平衡電壓的裝置及方法。
[0005]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是:降低氣壓測(cè)量密立根油滴平衡電壓的裝置，其特征是:油滴儀的上面板也就是下極板底部所在平面為硬質(zhì)材料，能夠承受一個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)差;一個(gè)一端封閉、一端開(kāi)口的圓筒，圓筒罩住油滴盒所在的區(qū)域，該區(qū)域包括油霧杯、油滴室、防風(fēng)罩和攝像系統(tǒng)，防風(fēng)罩的側(cè)面有一個(gè)供鏡頭伸縮的孔，攝像系統(tǒng)包括鏡頭、光學(xué)系統(tǒng)和CCD盒，圓筒開(kāi)口端與儀器上面板之間間隔一個(gè)環(huán)形密封墊；圓筒連通一個(gè)活塞筒，活塞筒內(nèi)部的活塞的外側(cè)一端通過(guò)一根細(xì)桿連接到一個(gè)螺桿，螺桿的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的平動(dòng)；圓筒的開(kāi)口端有一個(gè)缺口，上極板的電線和下極板的電線以及攝像頭的電纜合成一組電線，這組電線簡(jiǎn)稱(chēng)總電纜，在總電纜的中部通過(guò)熔融方式固定一個(gè)半圓形密封墊，半圓形密封墊的弧形部分被切割成內(nèi)、夕卜兩片，半圓形密封墊騎在圓筒的缺口的內(nèi)外兩側(cè)(即半圓形密封墊的內(nèi)、外兩片分別位于圓筒的內(nèi)側(cè)和外側(cè))，半圓形密封墊的底部與環(huán)形密封墊上側(cè)熔融在一起，半圓形密封墊能夠密封缺口、電線中的金屬導(dǎo)線具備支撐作用確保在圓筒的內(nèi)外壓差作用下半圓形密封墊不會(huì)發(fā)生位移，即半圓形密封墊確保不會(huì)漏氣。
[0006]為實(shí)現(xiàn)螺桿的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的平動(dòng)，活塞為三層結(jié)構(gòu)，左側(cè)為活塞結(jié)構(gòu)，中間層為平板，右側(cè)為固定板，活塞結(jié)構(gòu)右側(cè)有一圈圓形凹槽，中間層的兩側(cè)各有一圈圓形凹槽，固定板左側(cè)有一圈圓形凹槽，所有凹槽的形狀和大小相同，活塞結(jié)構(gòu)右側(cè)與中間層左側(cè)相對(duì)的兩圈凹槽容納滾珠，中間層右側(cè)與固定板左側(cè)相對(duì)的兩圈凹槽容納滾珠；固定板的直徑比活塞結(jié)構(gòu)的直徑小0.5-1_，中間層的直徑小于固定板的直徑，焊接在活塞結(jié)構(gòu)右側(cè)表面的螺釘穿過(guò)固定板的螺孔，在固定板的右側(cè)旋緊螺帽來(lái)固定活塞結(jié)構(gòu)、左側(cè)滾珠、中間層、右側(cè)滾珠以及固定板;固定板中心有一個(gè)孔，連接桿的左側(cè)一端穿過(guò)固定板中心孔后連接到中間層的中心，連接桿的右側(cè)一端連接到螺桿的左側(cè)，則螺桿的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)中間層旋轉(zhuǎn)，中間層的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠轉(zhuǎn)動(dòng)，擠壓活塞結(jié)構(gòu)或者拉動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生平動(dòng)。
[0007]使用降低氣壓測(cè)量密立根油滴平衡電壓的裝置測(cè)量油滴平衡電壓的方法，其特征是:在油滴儀的上面板鋪平環(huán)形密封墊，圓筒的缺口騎在半圓形密封墊內(nèi)、外兩片之間，用手壓緊圓筒使圓筒的其它部分與環(huán)形密封墊緊密接觸；螺桿的外側(cè)端有交叉的十字形杠桿，活塞筒的開(kāi)口端有內(nèi)螺紋，螺桿的外螺紋與活塞筒的開(kāi)口端有內(nèi)螺紋接觸，旋轉(zhuǎn)十字形杠桿移動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)，直到油滴觀察不到布朗運(yùn)動(dòng)，此時(shí)調(diào)節(jié)平衡電壓旋鈕，使油滴在豎直方向保持平衡，此時(shí)讀取油滴儀屏幕上顯示的平衡電壓值;活塞結(jié)構(gòu)從活塞筒的左側(cè)停止位移動(dòng)到右側(cè)停止位，其體積為圓筒內(nèi)部體積的10-100倍，即能夠使油滴室內(nèi)部的氣壓降低到大氣壓的0.1-0.01倍。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:降低油滴室內(nèi)部的氣壓使油滴的布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象能夠忽略，能夠更準(zhǔn)確測(cè)定油滴的平衡電壓;半圓形密封墊騎在圓筒的缺口的內(nèi)外兩側(cè)，在抽真空時(shí)，由于外側(cè)的氣壓大于圓筒內(nèi)側(cè)的氣壓，促使半圓形密封墊的外側(cè)緊密貼緊圓筒的外側(cè)，起密封作用，具備自密封功能；固定板的直徑比活塞結(jié)構(gòu)的直徑小0.5-1_，避免固定板與活塞筒內(nèi)壁接觸，從而避免摩擦;活塞改進(jìn)為三層結(jié)構(gòu)，將螺桿的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊钠絼?dòng)，螺桿在杠桿的作用下旋轉(zhuǎn)比較省力，活塞的平動(dòng)有利于保持活塞的氣密性;本發(fā)明的裝置通過(guò)改變密封氣體的體積來(lái)改變壓強(qiáng)，操作比較簡(jiǎn)單，螺桿結(jié)構(gòu)能夠在任意位置停止轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)外壓差產(chǎn)生的作用力垂直于螺紋所在的平面，因此內(nèi)外壓差能夠保持，密封氣體的壓強(qiáng)恢復(fù)能夠通過(guò)螺桿旋回原處來(lái)實(shí)現(xiàn);氣壓的具體數(shù)值不是本發(fā)明專(zhuān)利所關(guān)注的，本發(fā)明只要觀察到油滴在水平方向沒(méi)有偏移，此時(shí)就能夠忽略氣壓碰撞對(duì)平衡電壓測(cè)量的影響，此時(shí)調(diào)節(jié)平衡電壓旋鈕，使油滴在豎直方向保持平衡，此時(shí)測(cè)量完成，然后可以逐漸撤出真空恢復(fù)到常壓。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是成都世紀(jì)中科儀器有限公司實(shí)驗(yàn)儀部件示意圖，圖2是油滴盒裝置示意圖；圖3是密封罩示意圖；圖4旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槠絼?dòng)的活塞示意圖；
其中1、CCD盒2、電源插座3、調(diào)焦旋鈕4、Q9視頻接口 5、光學(xué)系統(tǒng)6、鏡頭7、觀察孔
8、上極板壓簧9、進(jìn)光孔10、光源11、確認(rèn)鍵12、狀態(tài)指示燈13、平衡及提升切換鍵14、0V及工作切換鍵15、定時(shí)開(kāi)始結(jié)束切換鍵16、水準(zhǔn)泡17、電壓調(diào)節(jié)旋鈕18、緊定螺釘19、電源開(kāi)關(guān)20、油滴管收納盒安放環(huán)21、調(diào)平螺釘(3顆)；31、噴霧口，32、進(jìn)油量開(kāi)關(guān)，33、防風(fēng)罩，34、上極板，35、油滴室，36、下極板，37、油霧杯，38、落油孔，39、圓筒，40、活塞筒，41、活塞，42、連接桿，43、螺桿，44、十字形杠桿，45、環(huán)形密封墊，46、缺口，47、活塞結(jié)構(gòu)，48、滾珠，49、中間層，50、固定板。
【具體實(shí)施方式】
[0010]現(xiàn)有技術(shù):
現(xiàn)有技術(shù)的油滴盒，一般為圓筒形，其下部為下極板36，下極板為油滴盒提供一個(gè)電極，一般設(shè)置為負(fù)極，圓筒形圍成的中空部分為油滴懸浮的空間，稱(chēng)為油滴室35，油滴室35內(nèi)部空間的高度一般為5毫米，圓筒形的側(cè)面有三個(gè)密封透明孔(透明材料密封，對(duì)光照透明，對(duì)氣體而言是密封的)，其中一個(gè)為觀察孔7，另外兩個(gè)透明孔為進(jìn)光孔9，進(jìn)光孔9的光照來(lái)自發(fā)光二極管光源10，圓筒形的上部覆蓋上極板34，上極板34上表面接觸上極板壓簧8，上極板壓簧8為油滴盒提供一個(gè)電極，一般設(shè)置為正極。上極板34的中心有一個(gè)落油孔38，落油孔38為直徑0.5毫米左右的小孔。電壓調(diào)節(jié)旋鈕17調(diào)節(jié)加載到上極板34和下極板36之間的電壓V，從而調(diào)節(jié)上極板34和下極板36之間的電場(chǎng)E=V/5mm。
[0011]油滴盒的外側(cè)有圓環(huán)形防風(fēng)罩33，避免外界空氣流動(dòng)對(duì)油滴的影響，防風(fēng)罩33的上部是油霧杯37，油霧杯37—般由一個(gè)圓形筒、上蓋和底蓋組成，圓形筒的其側(cè)面有噴霧口31，油霧杯37有上蓋和底蓋，上蓋、底蓋以及圓形筒構(gòu)成杯狀結(jié)構(gòu)，其底蓋有孔，其底蓋的孔被一個(gè)金屬薄片覆蓋，金屬薄片能夠在底蓋的直徑方向移動(dòng)，金屬薄片也有一個(gè)孔，其孔徑一般與底蓋的孔的孔徑相等，當(dāng)移動(dòng)金屬薄片使金屬薄片的孔正對(duì)底蓋的孔的時(shí)候，噴灑在油霧杯的部分油滴穿過(guò)兩個(gè)正對(duì)的孔，穿過(guò)孔的油滴的一部分從油滴盒的落油孔38進(jìn)入油滴室35，該金屬薄片又稱(chēng)為進(jìn)油量開(kāi)關(guān)32。
[0012]光源10發(fā)出的光線照亮油滴室35內(nèi)部空間，鏡頭6和光學(xué)系統(tǒng)5以及調(diào)焦旋鈕3使懸浮的油滴成像到C⑶盒I，C⑶盒I的圖像通過(guò)Q9視頻接口 4連接到顯示器上。
[0013]狀態(tài)指示燈12表示是調(diào)節(jié)油滴平衡，還是油滴處于提升狀態(tài)，提升是在將油滴拉升到視場(chǎng)的上部，是在平衡電壓的基礎(chǔ)上增加一個(gè)大約200V的電壓，促使油滴向上運(yùn)動(dòng);平衡及提升切換鍵13，平衡和提升的轉(zhuǎn)換按鈕，通過(guò)狀態(tài)指示燈12確定其狀態(tài)。OV及工作切換鍵14，0V是電場(chǎng)力撤消后，油滴處于重力場(chǎng)中向下運(yùn)動(dòng)，受到空氣的阻力，加速運(yùn)動(dòng)一段距離后會(huì)處于勻速下落(如果不你考慮布朗運(yùn)動(dòng))，工作是指在電場(chǎng)作用下，調(diào)節(jié)平衡電壓或者調(diào)節(jié)向上提升油滴的提升電壓。
[0014]定時(shí)開(kāi)始結(jié)束切換鍵15，定時(shí)開(kāi)始啟動(dòng)計(jì)時(shí)，定時(shí)