《实验报告静电场的描绘.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验报告静电场的描绘.docx（10页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、文件排版存档编号：UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208电子信息与机电工程学院 普通物理实验 课实验报告级物理班Be组实验日期2姓名:学号号老师评定实验题目：静电场的描绘实验目的：1、学习用模拟法研究静电场。2、描绘二种场结构的等位线。仪器和用具：静电场模拟迹仪（一套）实验原理带电体的周围存在静电场，场的分布是由电荷的分布。带电体的几何形状及周 围介质所决定的。由于带电体的形状复杂，大多数情况求不出电场分布的解析解， 因此只能靠数值解法求出或用实验方法测出电场分布。直接用电压表法去测量静电 场的电位分布往往是困难的，因为静电场中没有电流，磁电式电表不会偏转；另外 由于与仪器相接
2、的探测头本身总是导体或电介质，若将其放入静电场中，探测头上 会产生感应电荷或束缚电荷。由于这些电荷乂产生电场，与被测静电场迭加起来， 使被测电场产生显着的畸变。因此，实验时一般采用间接的测量方法（即模拟法）来 解决。1.用稳恒电流场模拟静电场模拟法本质上是用一种易于实现、便于测量的物理状态或过程模拟不易实现、 不便测量的物理状态或过程，它要求这两种状态或过程有一一对应的两组物理量， 而且这些物理量在两种状态或过程中满足数学形式基本相同的方程及边界条件。本实验是用便于测量的稳恒电流场来模拟不便测量的静电场，这是因为这两种 场可以用两组对应的物理量来描述，并且这两组物理量在一定条件下遵循着数学形
3、式相同的物理规律。例如对于静电场，电场强度E在无源区域内满足以下积分关系(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)对于稳恒电流场，电流密度矢量j在无源区域中也满足类似的积分关系JT j - d S = 0SJ j - d l = 0l在边界条件相同时，二者的解是相同的。当采用稳恒电流场来模拟研究静电场时，还必须注意以下使用条件。(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。具体地说， 如果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 P必须相等；如果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)
4、 如果产生静电场的带电体表面是等位面，则产 生电流场的电极表面也应是等位面。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图2 1不良导体(如石墨粉、自来水或稀硫酸铜溶液等)充当导电质。(3) 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相似。2.长直同轴圆柱面电极间的电场分布如图2-1所示是长直同轴圆柱形电极的横截面图。设内圆柱的半径为a，电位 为Ua，外圆环的内半径为b，电位为U则两极间电场中距离轴M%r处的电位Ur 可表示为(2-5)乂根据高斯定理，则圆柱内r点的场强E=K/r(当 aVrVb 时)(2-6)式中K由圆柱体上线电荷密度决定。(2 7)U
5、- U .ln( b a)EA将(2 6)代入(2 5 )式f K. rU = U - 1 rdr = U - K In 一在r=b处应有 所以(28)如果取Ua=U0, Ub=0,将(28)式代入(2 7)式，得到U = U In (b)(2 9)r 0 ln( b a)式(29)表明，两圆柱面间的等位面是同轴的圆柱面。用模拟法 可以验证这一理论计算的结果。当电极接上交流电时，产生交流电场的瞬时值是随时间变化的， 但交流电压的有效值与直流电压是等效的，所以在交流电场中用 交流毫伏表测量有效值的等位线与在直流电场中测量同值的等位 线，其效果和位置完全相同。实验内容 首先按右图的电路图连接电路二
6、共轴无限长均匀带电圆柱体间等势线分布的模拟。1、按图连接电路，注意仪器上红接线柱代表正端。2、把圆柱形电极板插入描迹仪下电极座中。3、将坐标纸置于上层载纸板上压紧（不允许有松动）。4、将下探针与电极板上的电极接通，调节二电极间电 压 Ua=U0=10V, Ub=0V。5、右手平稳地移动探针座。观察电表，分别找出与二 极间电压相应为2、4、6、8伏的四条等势线，每条 等势线最少均匀地描出8个等势点6、取下坐标纸，将电势值相同的点连成光滑的曲线。平行长直圆柱体电极（相行等势线描绘，步骤同二、取下圆柱体电极板，换上两当于模拟两个点电荷的电场）进上。三、把所有等势线描绘好后，按课本48页标题2的内容算
7、出圆柱形电极板的极A 和极B的半径。方法如下:1. 用游标卡尺测出圆柱形电极板各等势线的半径及算出lnr和U/U。等势线半径单 位为(mm)极间电压12345678平均lnrU/U02伏4伏6伏8伏2、以x = (U/U0)为横坐标，y=(lnr)为纵坐标作图，得出一条直线，如果把UU0，U lnfrU=0，代入 49 页的 ln r = Un Un。(4-6)，则有， bUa - UUa - Uln r =In r 一U r-U0(r In +r )a式中为实验中测出的等势线的平均半径，U。为a、b两极间电势，因此得知lnrb为直线的截矩，ln(r/rb)为直线斜率，从图看出截矩，斜率2.3
8、0 - 3.680.7 0.1=2.300，经计算得:r =， r /r =， r =ba ba确，通过等势线测量半径计算出的两极半径实际测量的两极半径非常接近，产生误差的主要与以下几方面原因有关1.电源电压不稳定，2.四、用游标卡尺直接测量圆柱形电容器的极半径，把测量结果与计算结果作比较以判断你做的实验的准确程度，并分析其产生误差的原因直接测量直径 D(mm)直接测量半径 R(mm)实验结果R(mm)比较测量结果的误差相对误差极a极b本实验结果非常准电压表与检流计的灵敏度，3.圆心选取不能准确，4.等势线半径测量产生误差。思考题：(要求通过实验研究再回答以下问题)1、1、如果二电极间电压U增
9、强一倍，等位线，电力线的形状是否会变化电压U增强一倍，即相当于静电场点电荷的电量增大一倍，这时静电场中电场强度会加大，等位线、电力线会变得密点。但等位线、电力线的形状都不会变化。2、如果将二电极间电压极性变换，所作等位线是否变化如果把极性变换，即相当于静电场中心，由正电荷变成负电荷，或是由负电荷 换成正电荷，这时电力线的方向与原来的方向相反。同一电势值的等位线会移到另 外一个位置，等位线的电压降方向改变。所以所作的等位线应有所变化。3、如果在描绘圆柱型电容器的等势线时，所用的电压表为级（即AU/Um=，Um为量程 电压值），若ara和arb很小，可以略去，求：各种电势等势线的半径相对不确 定度。
