模拟法描绘静电场


一.实验目的

1.学习用模拟法描绘和研究静电场的原理和方法
2.用模拟法测绘同轴圆柱的电场
3.加深对电场强度和电位概念的理解

二.实验仪器

模拟静电场描绘仪(包括电极架、电极、探针、导电玻璃)、模拟静电场电源与测量仪。

三.实验原理

1.  内外半径分别是r1r2同轴圆柱的静电场在其中间的电位分布(内部电位为U1,外部电位为U2=0)为: Ur=U1ln(r2/r)ln(r2/r1)(r1rr2)如果测量出静电场中的等电位点,这些等电位点组成等电位线(面),根据电力线与等电位线(面)处处垂直的性质,就可以画出电力线。

2.  内外半径分别是r1r2同轴圆柱在其中间充满均匀的导电介质,当内圆柱和外圆柱加一电源,外加电位为U1,其空间的电位分布为: Ur=U1ln(r2/r)ln(r2/r1)(r1rr2)因此,可以用有电流通过的电流场模拟静电场,即电流场与静电场等同。

四.实验内容和步骤

1.取一张20*20cm2的坐标纸,从中心用铅笔画一个大米字线,将米字线中心对下层圆心(可借上下探针对准),并用磁性条压紧。
2.调节探针,使上下探针在同一垂直线上,下探针与导电玻璃接触良好,上探针与坐标纸保持12mm的距离。
3.打开静电场描绘仪专用电源,将转换开关打到“校正”,调节中心电极的基准电压。
4.将转换开关由“校正”打到“测量”,这时静电场描绘仪专用电源一方面充当电源,同时可以测量电流场中某点的电位。移动探针位置,在米字线附近找到待测电位点,用上探针扎孔为记(8个点)。
5.移动探针位置,在米字线上找到其他欲测电位的点,用上探针扎孔为记。
6.关掉电源,取下坐标纸量出各个电位的8个等位点到中心的距离,求平均距离r计算该处的电位理论值Ur0,并与实验值Ur比较,算出相对误差E。(E=︱Ur0-Ur︱/Ur0
7.用制图工具将各等位点连成光滑曲线,即形成等位线(各等位线应该是圆)。利用静电场中电力线与等位线垂直的关系,作出相应的电力线,即描绘成为一张完整的同轴电缆的静电场分布图。
8.以lnr为横坐标,UrUr0为纵坐标,在同一张坐标纸上作实验和理论曲线。

五. 实验操作和数据记录

1. 左键点击“电压调节”旋钮调低基准电压,右键点击“电压调节”旋钮调高基准电压。
2. 在表格中输入待测电压值。
3. 在坐标纸上点击测量,重测可再次点击删除测量点。

静电场描绘仪专用电源 校正 测量 电 压 调 节

Ur(v) 等位点Ri(mm) lnR- Ur0(v) E
R1R2R3R4R5R6R7R8R-

六、实验扩展

1. 为什么要用模拟法描绘静电场的分布而不用探测器直接描绘静电场的分布?
2. 如果电极和导电介质接触不良或导电介质不均匀会对实验结果有何影响?为什么?
3. 模拟场电源电压的增减是否影响等位面的形状?
4. 测量电位的电压表内阻是大点好还是小点好?
5. 任意位置点电荷附近的电位。