用恒定电流场模拟静电场.pdf

桂林电子科技大学物理实验中心 物理实验教案 实验四实验四 用恒定电流场模拟静电场用恒定电流场模拟静电场 实验目的 实验目的 1了解模拟法测绘静电场的原理和方法。2增强对静电场的感性认识。实验要求实验要求 1 弄清静电场与恒定电流场间的关系；2 了解用摸拟法测量静电场的条件；3 理解用长同轴圆柱形电极间稳恒电流场模拟同轴长同轴导体间静电场的依据；4 掌握用模拟法测绘一般静电场的实验方法。实验内容实验内容 1、同轴圆柱形电极静电场的描绘；按要求接好线路，先放好并用磁条压好白纸（或坐标纸），电源的电压设为 10 伏，平移柱体，分别在白纸（或纸坐标）上打出为 6.00V、5.00V、4.00V、3.00V、2.00V、1.00V 的几组等位点（打点时，注意点的分布，要求每一组分别分布在 8 个方向）。2、示波管聚焦电极静电场的描绘；其实验做法与同轴圆形电极的做法一样，要求打出“1.00V、2.00V、3.00V、5.00V、7.00V、8.00V、9.00V”对应的系列等位点。3、机翼形电极静电场的描绘；其实验做法与同轴圆形电极的做法一样,要求先测出机翼形电极的电压，然后据此分别于机翼形电极的两边测出三组等位点。讲解内容 讲解内容 1 静电场与恒定电流场间的关系 两种场遵循的物理规律形式上相似，故可以用电流场来模拟静电场。2 摸拟法测量静电场的条件 为了使电流场的电势分布准确与静电场相似，实验装置应注意保证以下条件：（1）为了模拟真空或空气中的静电场分布，要选用电阻均匀且各向同性的导电材料为电流场的导电介质，研究工作中常使用水槽，用水作导电介质，本实验中使用均匀涂上一层石墨的导电纸。（2）模拟电极的形成、位置、电极间电压与被模拟的静电场中的荷电体相同或量值成比例的相似。（3）静电场中带电导体是等势体，电流场中的电极也必须尽量接近等势体。这就要求制造电极的金属材料的电导率必须比电介质（导电纸）的电导率大得多，以致可以忽略金属电极上的电势降落，如果描述的是真空中或均匀电介质中的静电场，则要求模拟导电媒介是均匀的且处处电导率相同。桂林电子科技大学物理实验中心 物理实验教案 3用长同轴圆柱形电极间稳恒电流场模拟同轴长同轴导体间静电场的依据 桂林电子科技大学物理实验中心 物理实验教案 4.仪器介绍 测同轴圆柱形电极间电位分布的实验装置示意图见图 1。同轴电缆的中心是圆柱形导体，外壳是圆筒导电体，内外导体之间填有均匀电介质；当单位长度的内外导体上带有等量异号电荷时，电介质中的电场分布就可以用这个装置来模拟。在实验装置中，在底板 B 上放有导电纸 P，在导电纸上放有同轴电极 O 和 R。当 O 和 R 间加上电压 U0后，导电纸上将有轴对称的径向电流流过，极间将形成一组同心的等位线。这些等位线的位置可通过电压表 V及探针e测出。画等位线时，在电极上方固定的板 H 上先放一张坐标纸（或白纸）P，纸上的探针e和电极间的探针e固定在同一柱体 L 上，e e的连线垂直纸面。柱体 L 平移时，两针的轨迹形状相同。平移柱体使下控针e与导电纸接触、且使电压表示值不变，此时轻按上控针e就可在坐标纸上打出小孔。连结电压表示值相同的一系列小孔就成为一条等位线。有一些仪器，测等位线的位置不是用电压表测出，而是用检流计测出（将等位线的电压与已知电压进行比较），这时连线时应根据仪器的实际情况进行连线。测非轴对称形状电极间的静电场，其实验装置的基本结构及用法和图示 1 相同。桂林电子科技大学物理实验中心 物理实验教案 参考数据与处理 参考数据与处理 1、同轴圆柱形电极 （1）根据最大的一组等位点找出圆心，依次画出各等位线，并画出电力线（不少于 8 条）。（2）量出各等位线的半径，根据理论公式算出各等位线半径的理论值ir，列于数据表格中，并将半径的测量值mr与之比较。若把理论值ir当作真值，计算并在数据表格中列出等位线半径测量值的相对误差()iimrrr/。表 1 a=5.0mm b=75.5mm Ua=10.00V 测试点电位 Ur(V)6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 理论计算半径ir(mm)14.81 19.43 25.49 33.44 43.87 57.55 实验测半径mr(mm)14.50 19.44 25.52 33.35 43.69 57.58()iimrrr/*100%(%)2 0.05 0.1 0.3 0.4 0.05 2、示波管聚焦电极与机翼形电极 要求画出等位线和电力线，画电力线时注意使其与等位线处处垂直，且其密度能反映电场强度的大小。