压电陶瓷电源在静电演示实验中的应用

第２８卷第１期　物　理实　验　ＶｏＩ．２８　Ｎ０．１　２００８年１月　ＰＨＹＳＩＣＳ　ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＴＩＯＮ　ＪａＤ．，２００８　压电陶瓷电源在静电演示实验中的应用　成元发，王汉江，黄汉华，雷勇波，丁益民，柴荔英　（湖北大学物理学与电子技术学院，湖北武汉４３００６２）　摘要：自行研制了压电陶瓷电源，具有体积小，效率高，无电磁噪声，无电磁式绕组及不可燃烧、安全性高，受外界　影响小等特点．将压电陶瓷电源应用于静电演示实验，取得了较好的教学效果．　关键词：压电变压器；压电陶瓷电源；静电实验　中图分类号：Ｏ４４１，１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５－４６４２（２００８）０１－００３１－０２　１　引　言　变压器的输入端（驱动部分）时，通过逆压电效应，　使压电变压器产生沿长度方向的伸缩振动，输入　静电学的内容比较抽象，在大学物理教学中　的‘电能转换为机械能；而发电部分通过正压电效　都要结合教学内容做静电演示实验，让学生认识　应，机械能转换为电能Ｌ１　］，产生电压输出．由于　电现象．在静电演示实验中通常所使用的静电起　压电变压器的长度大于厚度，故输入端为低阻抗，　电机存在很多的弊端，如必须按规定方向转动手　输出端为高阻抗，用来达到升压的目的，因此输出　柄，但转速难以保持均匀，如果天气潮湿，起电机　电压大于输入电压，一般输入交流低电压以后，就　难以起电，加之，静电实验通常具有电压很高且电　可以获得几ｋＶ以上的高压输出．　量很少的特点，这就使得静电演示实验的成功率　不高，难以达到预期效果．因此，为了提高物理实　验教学效果，采用压电陶瓷变压器，设计、制做了　静电演示实验的压电陶瓷电源，应用于静电演示　实验的教学，收到了很好的效果．　２压电陶瓷变压器的工作原理　输入端　一端　图１压电陶瓷变压器　压电陶瓷电源的核心元件是压电陶瓷变压　器，本文采用湖北大学压电陶瓷研究所研制的大　３压电陶瓷电源的结构　功率压电陶瓷变压器（曾获国家科技进步二等　采用压电陶瓷变压器升压的压电陶瓷电源，　奖），由锆钛酸铅（ＰＺＴ）为基的四元系材料研制而　实质上是以陶瓷变压器为主体的电源变换，其基　成，该材料Ｑ　值、Ｋ　值和机械　强度高，Ｑ　值可　本结构如图２所示．　达２７０，ｄ。。为２７６，Ｋ　＞Ｏ．６４，￡＞８００，压电陶瓷变　压器的几何尺寸为７０　ｍｍ×１８　ｍｍ×３　ｍｍ，全波　谐振频率为４８．５　Ｈｚ，输出功率为３Ｏ　ｗ，其结构　如图１所示．整个压电陶瓷变压器可以分成２部　图２压电陶瓷电源结构　分：左半部分的上、下两面都有烧渗的银电极，沿　厚度方向极化，作为输入端，称为驱动部分；右半　驱动电路是陶瓷变压器电源的重要组成部　部分的右端有烧渗的银电极，沿长度方向极化，作　分，它的主要作用就是产生交变电压，去激励陶瓷　为输出端，称为发电部分．当交变电压加到压电　变压器以获得高压输出　＿３Ⅲ．　“全国高等学校第八届物理演示实验教学研讨会”论文　收稿日期：２００７—０７—２１；修改日期：２００７—１１－１３　‘　作者简介：成元发（１９４９一），男，湖北武汉人，湖北大学物理学与电子技术学院教授，从事凝聚态物理方向研究　维普资讯 http://www.cqvip.com

３２　物理实验　第２８卷　根据陶瓷变压器特性的要求，驱动电路的脉　至１５　ｋＶ，演示静电除尘，取得很好的演示效果．　宽调制器的频率应设计为４８．５　Ｈｚ，以便激励陶　此外，我们还将压电陶瓷电源调至不同电压　瓷变压器工作在谐振状态，并且在工作过程中，驱　下，演示了静电植绒、静电乒乓、静电跳球、尖端放　动电路的输出电压的频率必须和陶瓷变压器谐振　电——“电吹风”等实验，加深了学生对静电场性　频率相同，即驱动电路和陶瓷变压器同步，才能使　质的理解，收到较好的教学效果．　陶瓷变压器正常工作，保证电源的稳定性．　根据上述原理，我们研制了具有稳压电路的　５　结束语　推挽自激振荡电路作为驱动电路．　压电陶瓷变压器具有如下优点：升压比高，体　压电陶瓷变压器在驱动电路激励下，在输出　积小，重量轻，结构简单，便于制作，不用铜铁材　端将有交变高压输出（一般在陶瓷变压器输出端　料，不会燃烧和击穿．用压电陶瓷变压器制作的　设有整流电路，以获得直流高压输出）．为了使陶　电源，在供给交流低电压以后，在其输出接线柱　瓷变压器输出阻抗和整流电路的阻抗相匹配，在　上，就可获得上万伏的直流高压．用它来替代通　负载变化时，不致引起陶瓷变压器的效率下降，采　常所用的静电起电机，演示电磁学中的静电实验，　用了四倍压整流电路．　不仅能很好地满足静电实验的要求，而且使实验　自行研制的压电陶瓷电源电器参量：输入电　的效果更加明显，较好地解决利用静电起电机做　压为交流２２０　Ｖ，输出电压为１～２０　ｋＶ连续可　静电实验时存在的问题，提高了静电演示实验的　调，输出电流为ｉ００　Ａ，电压稳定性小于１　．　成功率，达到了预期的效果．　４压电陶瓷电源在静电演示实验中的应用　参考文献：　１）应用压电陶瓷电源和２个验电羽，演示孤　［１］谢菊芳。邝安祥．一种新型压电陶瓷变压器驱动电　立点电荷、同种电荷、异种电荷等电场线的分布．　路的研究［Ｊ］．湖北大学学报，１　９９３。１５（３）：２４２—２４５．　２）应用带绝缘柄的导体、金属球、验电器和压　Ｅ２３　Ｋａｔｚ　Ｈ　Ｗ．Ｓｏｌｉｄ　ｓｔａｔｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ａｎｄ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｄｅ—　电陶瓷电源，演示静电感应现象．　ｖｉｃｅ　ＥＭ］．Ｌｏｎｄｏ，１：Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ　Ｉｎｃ．，１９５９：　３）应用２块同样大小的金属圆板、１块绝缘　１７Ｏ一１９７．　Ｅ３］Ｌｉ　Ｌｏｎｇｔｕ，Ｙａｏ　Ｙｉｊｉｎ，Ｍｕ　Ｚｈｅｎｈａｎ．Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　板、压电陶瓷电源和静电计，可演示：平板电容器　ｃｅｒａｍｉｃ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ［Ｊ］．Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，１９８０，２８；　两极板问的电势差与所带电量的关系；平板电容　４１３—４０６．　与两极板间距离的关系；平板电容与两极板相对　［４］李成，韩德君．控能发射装置［Ｊ］．物理实验，２００７，　面积的关系；平板电容与两极板间电介质的关系．　２７（１０）：２６—２７．　４）应用自制静电除尘装置，压电陶瓷电源调　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｃ　ＨＥＮＧ　Ｙｕａｎ—ｆａ，ＷＡＮＧ　Ｈａｎ－ｊ　ｉａｎｇ，Ｈ　ＵＡＮＧ　Ｈａｎ—ｈｕａ，　ＬＥＩ　Ｙｏｎｇ＿ｂｏ，ＤＩＮＧ　Ｙｉ—ｍｉｎｇ，Ｃ　ＨＡＩ　Ｌｉ—ｙｉｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００６２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｅｌｆ—ｍａｄｅ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｈａｓ　ｍａｎｙ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｉｔ　ｉｓ　ｏｆ　ｓｍａｌｌ　ｖｏｌｕｍｅ，ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｌｏｗ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｎｏｉｓｅ　ａｎｄ　ｂｕｒｎ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ，ｉｔ　ｉｓ　ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｔｏ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎ—　ｔａｌ　ｎｏｉｓｅ，ａｎｄ　ｎｏ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｗｉｎｄｉｎｇ　ｉｓ　ｎｅｅｄｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ　ｅｘｐｅｒｉ—　ｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ；ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ　ｅｘｐｅｒｉ—　ｍｅｎｔ　［责任编辑：郭伟］