模拟法测静电场示范实验报告_1.docx

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1、模拟法测静电场示范实验报告当前位置：文档视界模拟法测静电场示范实验报告模拟法测静电场示范实验报告日期:?实验七：模拟法测静电场示范实验报告【实验目的】1理解模拟实验法的适用条件。2对于给定的电极，能用模拟法求出其电场分布。3加深对电场强度和电势概念的理解。【实验仪器】Y-J型激光描点模拟静电场描绘仪、白纸、夹子【实验原理】直接测量静电场，是非常困难的，由于:静电场是没有电流的,测量静电场中各点的电势需要静电式仪表。而教学实验室只要磁电式仪表。任何磁电式电表都需要有电流通过才能偏转,所以想利用磁电式电压表直接测定静电场中各点的电势，是不可能的。任何磁电式电表的内阻都远小于空气或真空的电阻，若在静

2、电场中引入电表,势必使电场发生严重畸变;同时，电表或其它探测器置于电场中，要引起静电感应,会使场源电荷的分布发生变化。人们在实践中发现:两个物理量之间，只要具有一样的物理模型或一样的数学表达式,就能够用一个物理量去定量或定性地去模拟另一个物理量,这种测量方法称为模拟法。本实验用稳恒电流场模拟静电场进行测量。从电磁学理论知道,稳恒电流场与静电场知足一样的场方程：0Edl?=?静电场的环路定理，0EdS?=?闭合面内无电荷时静电场的高斯定理；0jdl?=?由?=?0ldE，得?=?0ldE，又Ej=，故?=?0ldj)，0jds?=?电流场的稳恒条件；假如二者有一样的边界条件，则场分布必定一样,故

3、可用稳恒电流场模拟静电场。1.长直同轴圆柱面电极间的电场分布在真空中有一个半径为r的长圆柱导体A和一个内半径为的长圆筒导体，其中心轴重合且均匀带电，设A、B各带等量异种电荷，沿轴线每单位长度上内外柱面各带电荷+和-(即电荷线密度)，它们在A、B之间构成静电场。由对称性可知，在垂直于轴线的任一平面内,电场线沿半径方向呈均匀辐射状分布,其等势面是不同半径的圆柱面。为了计算A、B间的电场强度,首先我们沿轴线方向取一单位长度、底面半径为的同轴圆柱体外表为高斯面包围内柱面A)。设此高斯面上、下、侧面上的场强分别为上E、下E、E，则整个高斯面上的电通量为：=00EdsEdsEdsEds?+?+?=+?下下

4、侧侧上上EdsEds?=?侧侧=2rE由高斯定理0=?SdE可得：2rE=0，即rE02=,由于外柱面接地点为零电势点，则在A、B两柱面之间距圆柱中心轴为处的电势为:00000ln22RRrrrRdrUEdrrr=?同理可得柱的电势：000000ln22RRrrRdrUEdrrr=?两式相除,得相对电势：0lnlnrRrRUUr=2.设计模拟的电流场为了仿造一个与上述静电场类似的电流场,我们设计出模拟模型：把圆环形金属电极A和圆环形金属电极B同心地置于一层均匀导电介质上,当给两面电极间加加上规定的电压0U后,在A、B电极间的导电介质上就会产生一个稳定的电流分布。导电介质由导电微晶制成,它的电阻

5、率比金属电极大很多，因而导电微晶是不良导体。设其厚度为,电阻率为,电极A的半径为0r，B的半径为0R。由电阻定律可知，半径为r的圆周到半径为r+r的圆周间的圆环(宽度为r)电阻为：rtdrsdsdR2=半径为的圆周到半径为0R的圆周间的圆环电阻为:00ln22RrrRdrRtrtr=?=?同理，半径为0r的圆周到半径为0R的圆周间的圆环电阻为:00ln2rRtR=于是，两电极间的总电流：0000ln2rRUtRUI?=设外环的电势为0，则距环心为(0r【实验步骤】1)按图连接好电路，调节“电压输出旋钮，直到电压表示数为10V。(2将探测器置于电极中心,再将一张白纸对折三下，放在测试仪有机玻璃平

6、台上,使其中心对准电极中心，然后用夹子夹稳。(3在四条折线上用探针分别找出电势为8.0V、6.0、.0和.0V的点，将其中心记录在白纸上。4用圆规画出电势分别为.0V、0V、40V和20V的等势线，再根据电场线和等势线垂直的原理,画出八条电场线。断开电路，整理好仪器。【数据处理】1将实验记录的白纸贴于此处,并画出等势线、电场线，然后用直尺量出等势圆的直径准确到0.1mm)。8(mm)D(mm)D(mm)D2(m)=8D=6D=4D=2D2数据计算已知:0r=.71mm0R91mmU0=10.0VU理0000ln(/)ln(/)RrURr.用坐标纸画出U测)/ln(0rR曲线用实线和U理)/ln

7、(0rR曲线用虚线,并进行分析。【问题讨论】1.本实验的误差主要来自哪些方面,怎样避免?2.假如电源电压增加一倍,等势线和电场线的形状能否会发生变化?测vD测(mm)r测mm)/ln(0rRU理v)U测U理100%UUU-?理测理.0004002.00.实验装置VZ导电微晶静电场描绘仪(包括导电微晶、双层固定支架、同步探针等)，如上图所示,支架采用双层构造，上层放记录纸,下层放导电微晶。电极已直接制作在导电微晶上,并将电极引线接出到外接线柱上，电极间制作有导电率远小于电极且各项均匀的导电介质。接通电流电源10V)就可进行实验。在导电微晶和记录纸上方各有一探针，通过金属探针臂把两探针固定在同一手

8、柄座上，两探针始终保持在同一铅垂线上。移动手柄座时,可保证两探针的运动轨迹时一样的。由导电微晶上方的探针找到待测点后，按一下记录纸上方的探针，在记录纸上留下一个对应的标记。移动同步探针在导电微晶上找出若干个电位一样的点,由此可描绘出等位线。当采用稳恒电流场来模拟研究静电场时，还必须注意下面使用条件。1)稳恒电流场中的导电质分布必须相应于静电场中的介质分布。详细地讲，假如被模拟的是真空或空气中的静电场，则要求电流场中的导电质应是均匀分布的，即导电质中各处的电阻率必须相等；假如被模拟的静电场中的介质不是均匀分布的,则电流场中的导电质应有相应的电阻分布。2)假如产生静电场的带电体外表是等位面，则产生电流场的电极外表也应是等位面。为此，可采用良导体做成电流场的电极,而用电阻率远大于电极电阻率的不良导体如石墨粉、自来水或稀硫酸铜溶液等)充当导电质。()电流场中的电极形状及分布,要与静电场中的带电导体形状及分布类似。