光电反馈式静电悬浮的机制研究

本文主要讨论光电反馈式静电悬浮的理论问题。研究在静电场作用下导电悬浮体的静电感应机制和绝缘悬浮体的静电极化机理,推导出悬浮体表面的感应电荷或极化电荷的计算公式,以及作用于悬浮体上的静电悬浮力的计算公式,在理论上揭示了静电力与电极电压、电极面积、悬浮间距及悬浮体电学特性等因素之间的关系。结果表明,导电悬浮体表面的感应电荷量比绝缘悬浮体表面的极化电荷量多,因此前者所受的静电悬浮力比后者大,但两者均可实现静电悬浮,这些结论与实验结果完全符合。本文工作为实现静电悬浮的光电反馈控制提供了理论依据。     

光电反馈式静电悬浮与静电悬浮力测定

本文提出光电反馈式静电悬浮的新方法,简要讨论静电悬浮的原理、装置及其光电反馈控制过程.采用铝片和CD光盘作为悬浮体,测定了不同静电电压和不同悬浮间距时的静电悬浮力,揭示了它们之间的相互关系.结果显示这两种悬浮体均可获得足够的静电悬浮力,证明了静电悬浮的可行性.静电悬浮方法的显着特点是既适用于导电体与非导电体的悬浮,又适用于磁性体与非磁性体的悬浮,克服了传统磁悬浮技术仅适用于磁性体的局限性,可广泛应用于精密元器件的悬浮与非接触无损操作.     

线-铝箔电极电晕放电激励器的推力理论与实验研究

空气电晕放电离子风激励器无需旋转部件, 仅通过消耗电能就能直接产生驱动力, 它是一种新型的动力技术, 备受国内外航空航天界的广泛关注. 目前对空气电晕放电离子风激励器的推力产生机理虽有各种解释, 但是现有理论均不能统一各种条件下的实验结果, 仍需要开展进一步的分析与研究. 本文以线-铝箔电极电晕放电激励器为研究对象, 通过实验研究发现作用在线电极与铝箔电极上的静电力不对称, 而且改变铝箔电极纵向高度和气压均能影响激励器的推力大小; 通过理论分析, 考虑电晕层与空间电荷的影响, 建立了线-铝箔电极电晕放电激励器的推力计算模型, 其计算值与实测值比较一致. 基于上述实验现象与理论建模分析, 本文认为线-铝箔电极电晕放电激励器的推力主要来源于线电极电晕产生的空间电荷对电极系统产生了不对称静电力作用, 使激励器出现净静电力作用.     

扫描探针针尖与试样间的静电力分析与建模

针对主体为圆锥、尖端为球冠的扫描探针针尖物理模型,提出了针尖与试样之间等效电场分布假设,基于该假设导出了二者之间静电力的解析模型,分析了针尖结构参数与静电力间的关系.模拟计算结果和数值计算结果一致,并与相关的实验结果吻合,证实了电场分布假设的合理性.     

会切装置静电堵漏实验

本文描述静电堵漏会切型等离子体约束系统和实验方法,绘出了电子注入、堵漏电极作用、等离子体约束性能的实验结果,对结果进行了必要的分析和讨论。得到的等离子体参数为:密度n～10~(10)cm~(-3);寿命τ～2ms;电子温度T_e～50eV;等离子体电位φp～-68V。证明了密度与磁场的定标关系,堵漏电极的作用是明显而有效的,主要实验结果与理论符合较好。     

磁悬浮转动演示仪的设计与测试

磁悬浮转动演示仪运用了数字电子技术、电磁学等的理论知识和线性霍尔传感器的基本原理,通过主、副控制电路,能够使不同质量磁性物体及同质量磁性物体在不同位置稳定悬浮;同时利用电磁驱动原理,设计驱动和制动电路,能够使磁性悬浮体以不同角速度旋转和制动.测试了悬浮体转动的角速度与滑轨上电磁铁的起始作用位置、滑轨两端电压以及电磁铁的磁场间的关系,实验结果与理论分析一致.     

气体物理性质对近场超声悬浮特性的影响研究

在利用近场超声悬浮技术搬运晶圆的过程中,为提高近场超声悬浮力,该文研究了气体物理性质与近场超声悬浮力之间的关系。利用声辐射压理论与流体力学理论对不同气体介质下的悬浮力进行建模与求解。搭建了可测量不同气体环境中悬浮力的实验平台。实验发现氩气环境下超声悬浮力平均值相对空气环境下提升24.8%。结合实验与理论计算分析了气体密度、比热容比、声速与动力黏度对悬浮力的影响,推断气体的比热容比为影响近场超声悬浮力的主要参数。该方法为晶圆搬运的环境适用性提供了参考价值。     

化学电池电动势及内外电压的实验研究

采用4只电压表分别对市售研究闭合电路可调内电阻的专用化学电池和自制化学电池的正极与负极之间、正极与正极附近的探针之间、负极与负极附近的探针之间以及正极附近的探针与负极附近的探针之间的电势差进行测量.根据实验数据对闭合电路中电场力做功与非静电力做功引起的电势变化进行分析,指出化学电池中电场力和非静电力的作用区域,同时也验证了闭合电路中电动势与内电压和外电压之间的关系.     

光电反馈式静电悬浮的光电控制系统

本文给出了基于直流高压静电场的光电反馈式静电悬浮系统的实现方案,介绍其工作原理,主要讨论该悬浮操作的技术核心-光电控制系统,提出了光电控制系统中的单元技术:激光三角法测距和比例积分差动(PID)控制的实现方案.我们采用仅有一路伺服控制的光电控制系统进行实验,获得了绞好的结果.实现了悬浮体的开关式悬浮控制.证明了我们的光电控制系统是完全可行的.     

二分量胶体悬浮系统的短时间动力学

研究了二分量带电粒子悬浮系统的短时间平动和转动自扩散系数.由于存在静电相互作用和流体力学作用,扩散系数与两种粒子的尺寸比,它们的体积分数,以及所带的有效电荷都有关.计入了流体力学相互作用对扩散张量的二体贡献和首项三体贡献.计算结果表明,流体力学作用对于带电粒子系统的影响要小于它对硬球粒子系统的影响.扩散系数随两种粒子的尺寸比和它们的体积分数变化的关系可以用有效硬球模型来解释,而其定性结果与实验相符合.     

Application of the electrostatic mean value theorem to electrostatic sensor electrodes

We present a method for approximating the potential of conducting objects due to a known electrostatic source. The method involves averaging the incident potential over the conductor surface or volume region, which is known to give the exact value for a perfectly conducting sphere. The method is extended to spheroidal geometries, both prolate and oblate, to study the error incurred for deviations from the spherical case. Exact values for the spheroid potentials are derived and compared with those obtained by the mean value approximations. The result for the oblate spheroid is extended to the case of a two-dimensional electrostatic disk. The approximations are proposed as a method for predicting the potential of conducting electrodes used with electrostatic sensors for the measurement of electrostatic field disturbances. In this regard, the mean value approximation is applied to determine the source to electrode mutual capacitance, which is implemented in the model for the sensor system. Electrostatic disk electrodes are used with an electrostatic disturbance sensor to experimentally validate the application of the mean value approximation.     

On the absence of charge symmetry in electrostatic interaction between charged drops and hard particles

It is shown that the analytical expressions for the energy and force of electrostatic interaction between charged conducting particles (drops), a point charge, and a finite-size particle, as well as between a particle (a drop or a point charge) and a conducting plane, are asymmetric with respect to the sign of one of the charges. This is because the polarization interaction is always attractive irrespective of the signs of interacting particles. The absence of this symmetry leads to the self-constriction of charged aerodispersed systems containing a condensed phase, for example, plasma or liquid-droplet systems.     

Nonlinear analysis of the equilibrium shape of a charged conducting drop in an electrostatic suspension

An analytical asymptotic expression is derived that describes the equilibrium shape of a charged drop of an ideal incompressible conducting liquid suspended in superposed collinear uniform electrostatic and gravitational fields. The expression is obtained in an approximation quadratic in the small amplitude of deviation of the equilibrium drop from a sphere, with the electrostatic field dimensionless strength taken as a measure of the deviation amplitude. With allowance for the gravitational and electrostatic fields and interaction between the drop self-charge and external electrostatic field, the equilibrium shape of the drop is found to be very close to a spheroid when the charge and the electrostatic field strength are far from their critical values. The analysis is carried out with a refined procedure of calculation of the equilibrium shape of drops placed in external force fields.     

静电场模拟实验的教学研究

用稳恒电流场模拟静电场是理工科大学生的必修物理实验.在传统的物理实验教学中,一般使用等臂记录法获取实验数据,然后根据等势电压与等势圆半径的对数的线性关系,进而求出内圆柱电极半径和外环电极内半径.本文根据实验数据的特点,分别使用指数拟合法、二元线性回归法和A类不确定度法同时处理用稳恒电流场模拟静电场中得出的实验数据,给出稳恒电流场模拟静电场实验的误差分析.通过对比,对数据处理方法在实验教学中的应用进行了相关分析和研究.     

模拟静电场实验中导电介质的选择

通过比较3种静电场描绘仪器的实验结果,分析误差产生的原因,指出选择导电介质应注意的问题。     

静电场环路定理的非抵消法证明

在普通物理学中,"静电场环路定理"是一个重要的基本定理.与一般教科书中的证明方法--"抵消法"不同,提出了另外两种巧妙而更为简单的非抵消法的证法.     

Interaction between stray electrostatic fields and a charged free-falling test mass

We present an experimental analysis of force noise caused by stray electrostatic fields acting on a charged test mass inside a conducting enclosure, a key problem for precise gravitational experiments. Measurement of the average field that couples to the test mass charge, and its fluctuations, is performed with two independent torsion pendulum techniques, including direct measurement of the forces caused by a change in electrostatic charge. We analyze the problem with an improved electrostatic model that, coupled with the experimental data, also indicates how to correctly measure and null the stray field that interacts with the test mass charge. Our measurements allow a conservative upper limit on acceleration noise, of 2 (fm/s2)/Hz(1/2) for frequencies above 0.1 mHz, for the interaction between stray fields and charge in the LISA gravitational wave mission.