降低氣壓測量密立根油滴平衡電壓的裝置及方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及物理量的測量領域。
【背景技術】
[0002]在判斷一個物體受力平衡時，一般是以物體靜止或者處于勻速直線運動作為判斷標準，大多數的情況都以是否處于靜止來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量級，空氣分子之間的間距大致在納米的數量級，當油滴接近于平衡時，油滴就相當于懸浮顆粒，受到空氣分子的不規則的碰撞，油滴顆粒會出現布朗運動，即不規則的雜亂運動，導致油滴受力平衡的判斷比較困難。對于比較大的油滴，空氣分子對油滴的不平衡作用力相對油滴的重力較小(即質量大、慣性大)，其懸浮時的穩定性比較好，但是由于油滴大、質量大、受空氣分子的作用較小，下落時的速度比較快(即下落的時間比較短)，測量其下落時間的誤差比較大(受制于人的生理反應速度0.1秒，由于油滴比較細小，無法采用光電門等裝置進行計時，一般都采用顯微鏡放大后進行人為判斷其位置以及操作開始計時和操作停止計時)；當油滴比較小的時候，受空氣分子碰撞作用的不平衡性表現比較大，布朗運動比較明顯，無法準確確定其是否處于平衡狀態，導致平衡電壓的測量誤差比較大。
【發明內容】
[0004]為減少氣體碰撞導致油滴不平衡作用力帶來對測量油滴平衡電壓的影響，本發明設計降低氣壓測量密立根油滴平衡電壓的裝置及方法。
[0005]本發明實現發明目的采用的技術方案是:降低氣壓測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材料，能夠承受一個大氣壓的壓強差;一個一端封閉、一端開口的圓筒，圓筒罩住油滴盒所在的區域，該區域包括油霧杯、油滴室、防風罩和攝像系統，防風罩的側面有一個供鏡頭伸縮的孔，攝像系統包括鏡頭、光學系統和CCD盒，圓筒開口端與儀器上面板之間間隔一個環形密封墊；圓筒連通一個活塞筒，活塞筒內部的活塞的外側一端通過一根細桿連接到一個螺桿，螺桿的旋轉移動轉化為活塞的平動；圓筒的開口端有一個缺口，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，這組電線簡稱總電纜，在總電纜的中部通過熔融方式固定一個半圓形密封墊，半圓形密封墊的弧形部分被切割成內、夕卜兩片，半圓形密封墊騎在圓筒的缺口的內外兩側(即半圓形密封墊的內、外兩片分別位于圓筒的內側和外側)，半圓形密封墊的底部與環形密封墊上側熔融在一起，半圓形密封墊能夠密封缺口、電線中的金屬導線具備支撐作用確保在圓筒的內外壓差作用下半圓形密封墊不會發生位移，即半圓形密封墊確保不會漏氣。
[0006]為實現螺桿的旋轉移動轉化為活塞的平動，活塞為三層結構，左側為活塞結構，中間層為平板，右側為固定板，活塞結構右側有一圈圓形凹槽，中間層的兩側各有一圈圓形凹槽，固定板左側有一圈圓形凹槽，所有凹槽的形狀和大小相同，活塞結構右側與中間層左側相對的兩圈凹槽容納滾珠，中間層右側與固定板左側相對的兩圈凹槽容納滾珠；固定板的直徑比活塞結構的直徑小0.5-1_，中間層的直徑小于固定板的直徑，焊接在活塞結構右側表面的螺釘穿過固定板的螺孔，在固定板的右側旋緊螺帽來固定活塞結構、左側滾珠、中間層、右側滾珠以及固定板;固定板中心有一個孔，連接桿的左側一端穿過固定板中心孔后連接到中間層的中心，連接桿的右側一端連接到螺桿的左側，則螺桿的旋轉，帶動中間層旋轉，中間層的旋轉帶動滾珠轉動，擠壓活塞結構或者拉動活塞結構產生平動。
[0007]使用降低氣壓測量密立根油滴平衡電壓的裝置測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形密封墊，圓筒的缺口騎在半圓形密封墊內、外兩片之間，用手壓緊圓筒使圓筒的其它部分與環形密封墊緊密接觸；螺桿的外側端有交叉的十字形杠桿，活塞筒的開口端有內螺紋，螺桿的外螺紋與活塞筒的開口端有內螺紋接觸，旋轉十字形杠桿移動活塞結構，直到油滴觀察不到布朗運動，此時調節平衡電壓旋鈕，使油滴在豎直方向保持平衡，此時讀取油滴儀屏幕上顯示的平衡電壓值;活塞結構從活塞筒的左側停止位移動到右側停止位，其體積為圓筒內部體積的10-100倍，即能夠使油滴室內部的氣壓降低到大氣壓的0.1-0.01倍。
[0008]本發明的有益效果是:降低油滴室內部的氣壓使油滴的布朗運動現象能夠忽略，能夠更準確測定油滴的平衡電壓;半圓形密封墊騎在圓筒的缺口的內外兩側，在抽真空時，由于外側的氣壓大于圓筒內側的氣壓，促使半圓形密封墊的外側緊密貼緊圓筒的外側，起密封作用，具備自密封功能；固定板的直徑比活塞結構的直徑小0.5-1_，避免固定板與活塞筒內壁接觸，從而避免摩擦;活塞改進為三層結構，將螺桿的旋轉轉變為活塞的平動，螺桿在杠桿的作用下旋轉比較省力，活塞的平動有利于保持活塞的氣密性;本發明的裝置通過改變密封氣體的體積來改變壓強，操作比較簡單，螺桿結構能夠在任意位置停止轉動，內外壓差產生的作用力垂直于螺紋所在的平面，因此內外壓差能夠保持，密封氣體的壓強恢復能夠通過螺桿旋回原處來實現;氣壓的具體數值不是本發明專利所關注的，本發明只要觀察到油滴在水平方向沒有偏移，此時就能夠忽略氣壓碰撞對平衡電壓測量的影響，此時調節平衡電壓旋鈕，使油滴在豎直方向保持平衡，此時測量完成，然后可以逐漸撤出真空恢復到常壓。
【附圖說明】
[0009]圖1是成都世紀中科儀器有限公司實驗儀部件示意圖，圖2是油滴盒裝置示意圖；圖3是密封罩示意圖；圖4旋轉轉變為平動的活塞示意圖；
其中1、CCD盒2、電源插座3、調焦旋鈕4、Q9視頻接口 5、光學系統6、鏡頭7、觀察孔
8、上極板壓簧9、進光孔10、光源11、確認鍵12、狀態指示燈13、平衡及提升切換鍵14、0V及工作切換鍵15、定時開始結束切換鍵16、水準泡17、電壓調節旋鈕18、緊定螺釘19、電源開關20、油滴管收納盒安放環21、調平螺釘(3顆)；31、噴霧口，32、進油量開關，33、防風罩，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、環形密封墊，46、缺口，47、活塞結構，48、滾珠，49、中間層，50、固定板。
【具體實施方式】
[0010]現有技術:
現有技術的油滴盒，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電極，一般設置為負極，圓筒形圍成的中空部分為油滴懸浮的空間，稱為油滴室35，油滴室35內部空間的高度一般為5毫米，圓筒形的側面有三個密封透明孔(透明材料密封，對光照透明，對氣體而言是密封的)，其中一個為觀察孔7，另外兩個透明孔為進光孔9，進光孔9的光照來自發光二極管光源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為油滴盒提供一個電極，一般設置為正極。上極板34的中心有一個落油孔38，落油孔38為直徑0.5毫米左右的小孔。電壓調節旋鈕17調節加載到上極板34和下極板36之間的電壓V，從而調節上極板34和下極板36之間的電場E=V/5mm。
[0011]油滴盒的外側有圓環形防風罩33，避免外界空氣流動對油滴的影響，防風罩33的上部是油霧杯37，油霧杯37—般由一個圓形筒、上蓋和底蓋組成，圓形筒的其側面有噴霧口31，油霧杯37有上蓋和底蓋，上蓋、底蓋以及圓形筒構成杯狀結構，其底蓋有孔，其底蓋的孔被一個金屬薄片覆蓋，金屬薄片能夠在底蓋的直徑方向移動，金屬薄片也有一個孔，其孔徑一般與底蓋的孔的孔徑相等，當移動金屬薄片使金屬薄片的孔正對底蓋的孔的時候，噴灑在油霧杯的部分油滴穿過兩個正對的孔，穿過孔的油滴的一部分從油滴盒的落油孔38進入油滴室35，該金屬薄片又稱為進油量開關32。
[0012]光源10發出的光線照亮油滴室35內部空間，鏡頭6和光學系統5以及調焦旋鈕3使懸浮的油滴成像到C⑶盒I，C⑶盒I的圖像通過Q9視頻接口 4連接到顯示器上。
[0013]狀態指示燈12表示是調節油滴平衡，還是油滴處于提升狀態，提升是在將油滴拉升到視場的上部，是在平衡電壓的基礎上增加一個大約200V的電壓，促使油滴向上運動;平衡及提升切換鍵13，平衡和提升的轉換按鈕，通過狀態指示燈12確定其狀態。OV及工作切換鍵14，0V是電場力撤消后，油滴處于重力場中向下運動，受到空氣的阻力，加速運動一段距離后會處于勻速下落(如果不你考慮布朗運動)，工作是指在電場作用下，調節平衡電壓或者調節向上提升油滴的提升電壓。
[0014]定時開始結束切換鍵15，定時開始啟動計時，定時