用模拟法测绘静电场实验报告广工

用模拟法测绘静电场

摘要

在物理实验中,往往会遇到一些难以直接测量的物理量,通常的办法是用容易测量,便于观察的量代替它,并找出它们之间的对应关系并进行测量,这种实验方法叫模拟法。静电场是由电荷分布决定的,给出一定区域内的电荷及电介质分布和边界条件求解静电场分布,大多数情况下求不出解析解,因此要靠数值解法求出,或用实验方法测出静电场分布.直接测量静电场的电势分布常常是很困难的,因为将仪表(或其探测头)放入静电场,总要使被测量的静电场发生一些变化.除静电式仪表之外的大多数仪表也不能用于静电场的直接测量,因为静电场中无电流流过,对这些仪表不起作用.如果用恒定电流场模拟静电场,即根据测量结果来描绘出与静电场对应的恒定电流场的电势分布,从而确定静电场的电势分布,则是一种很方便的实验方法.

关键词 模拟 测绘 静电场

【实验目的】

1.掌握用模拟法研究静电场.

2.练习测量稳恒电流场中电位分布的方法. 3.加深对静电场性质的理解

【实验仪器】

1干式电场描绘仪 2 指针式检流计 3 电压等分器

4 开关，直流5V电源，导线

【实验原理】

1静电场描绘的根据

电场是用空间各点的电场强度和电势V来描述的.为了形象地显示电场的分布,常用等势面和电场线

篇一：模拟法测绘静电场实验思考题答案

用模拟法测绘静电场

【预习思考题】

1．用电流场模拟静电场的理论依据是什么？模拟的条件是什么？

用电流场模拟静电场的理论依据是：对稳恒场而言，微分方程及边界条件唯一地决定了场的结构或分布，若两种场满足相同的微分方程及边界条件，则它们的结构也必然相同，静电场与模拟区域内的稳恒电流场具有形式相同的微分方程，只要使他们满足形式相同的边界条件，则两者必定有相同的场结构。模拟的条件是：稳恒电流场中的电极形状应与被模拟的静电场中的带电体几何形状相同；稳恒电流场中的导电介质是不良导体且电导率分布均匀，并满足σ极>>σ介以保证电流场中的电极（良导体）的表面也近似是一个等势面；模拟所用电极系统与被模拟电极系统的边界条件相同。

2．等势线和电场线之间有何关系？

等势线和电场线处处相互垂直。

3．在测绘电场时，导电微晶边界处的电流是如何流动的？此处的电场线和等势线与边界有什么关系？它们对被测绘的电场有什么影响？

在测绘电场时，导电微晶边界处的电流为0。此处的电场线垂直于边界，而等势线平行于边界。这导致被测绘的电场在近边界处受边界形状影响产生变形，不能表现出电场在无限空间中的分布

特性。

【分析讨论题】

1．如果电源电压增大一倍，等势线和

实验四

实验四 用模拟法测绘静电场

课程名称 开放物理实验 测量长同轴柱面电荷的电场分布 实验项目 用模拟法测绘静电场 学生研究式独立实实验内容 测量两无限长平行带电直圆柱的电场分布 正确理解电场强度和电位的概念 教学重点 学会用模拟法测量静电场的分布 实验方式 验为主，教师启发式一对一指导为辅 理解用稳恒电流场教学难点 来模拟静电场的理论依据 教学时数 4学时 授课对象 二、三年级本科生 学时分配 2学时 研究实验原理、测量方法、实验仪器 2学时 进行实验、处理数据、完成实验报告 参考资料

1.《大学物理实验》，北京工商大学物理教研室，机械工业出版社 - 14 -

用模拟法测绘静电场

1实验基本要求

1．学习模拟实验方法及用电压表测绘静电场的等势线。

2．加强对电场强度和电位概念的理解，了解电力线与等势线之间的关系。 3．测绘同轴带电圆柱面和平行带电直圆柱的等势线和电力线。

2仪器简介

序号 1 名称 静电场测绘仪 1台 数字电压表 1个 晶体管稳压电源1台 型号 技术规格 量程：-20.00 V~+20.00 V 分度值： 0.01 V WYJ-6B型 1A；1~30 V 2 3 配件 导电纸、白纸及导线若干 3.实验原

用模拟法测绘静电场

〔实验目的〕

1、学习用模拟法描绘和研究静电场分布； 2、加深对电场强度和电势概念的理解。 〔实验原理〕

静电场

用电场线形象描绘静电场的分布。

E??2??0r Ur?Ualn(rb/r)

ln(rb/ra)模拟场

用不良导体内的电场模拟静电场。

图1 同轴电缆的模拟模型

(a) 同轴电缆模拟电场装置； (b) 横向剖面

rb?rb?drrdr?ln R??ln Rrarb??rrb2?tra2?trrr2?trUa2?tUaln(rb/r)I???U?IR?U rraRrarb?lnrb rln(rb/ra)raba[实验内容及步骤]

图2 GVZ - 4型导电微晶静电场描绘仪

1、将导电微晶上内、 外两电极分别与直流稳压电源的正、负极相连接,电压表正、 负极分别与测试笔及电源负极相连接,移动测试笔测绘同轴电缆的等位线簇。要求相邻两等位线间的电位差为1V,以每条等位线上各点到原点的平均距离

r为半径画出等位线的同心圆簇。

2、根据电场线与等位线的正交原理,画出电场线,并指出电场强度方向,得到一张完整的电场分布图。

3、在坐标纸上作出相对

用模拟法测绘静电场

〔实验目的〕

1、学习用模拟法描绘和研究静电场分布； 2、加深对电场强度和电势概念的理解。 〔实验原理〕

静电场

用电场线形象描绘静电场的分布。

E??2??0r Ur?Ualn(rb/r)

ln(rb/ra)模拟场

用不良导体内的电场模拟静电场。

图1 同轴电缆的模拟模型

(a) 同轴电缆模拟电场装置； (b) 横向剖面

rb?rb?drrdr?ln R??ln Rrarb??rrb2?tra2?trrr2?trUa2?tUaln(rb/r)I???U?IR?U rraRrarb?lnrb rln(rb/ra)raba[实验内容及步骤]

图2 GVZ - 4型导电微晶静电场描绘仪

1、将导电微晶上内、 外两电极分别与直流稳压电源的正、负极相连接,电压表正、 负极分别与测试笔及电源负极相连接,移动测试笔测绘同轴电缆的等位线簇。要求相邻两等位线间的电位差为1V,以每条等位线上各点到原点的平均距离

r为半径画出等位线的同心圆簇。

2、根据电场线与等位线的正交原理,画出电场线,并指出电场强度方向,得到一张完整的电场分布图。

3、在坐标纸上作出相对

实验三 模拟法测绘静电场

随着静电应用、静电防护和静电现象研究的日益深入，常需要确定带电体周围的电场分布情况.用计算方法求解静电场的分布一般比较复杂和困难，而且，直接测量静电场需要复杂的设备，对测量技术的要求也高，所以常常采用模拟法来研究和测量静电场.

【实验目的】

1. 学习用模拟法描述和测绘静电场分布的概念和方法. 2. 测量等位线、描绘电力线.

3. 加深对静电场强度、电位和电位差概念的理解.

【实验仪器】

静电场测绘仪一套，静电场描绘仪专用电源（10 V，1 A）一台，导线等.

【实验原理】

1. 用电流场模拟静电场带电体在其周围空间所产生的电场，可用电场强度E和电位U的空间分布来描述.为了形象地表示电场的分布情况，常采用等位面和电力线来描述电场.电力线是按空间各点电场强度的方向顺次连成的曲线，等位面是电场中电位相等的各点所构成的曲面.电力线与等位面是相互正交的，有了等位面的图形就可以画出电力线.反之亦然.我们所说的静电场测量就是指测绘出静电场中等位面和电力线的分布图形.它是了解电场中的一些物理现象或控制带电粒子在电磁场中的运动所必须解决的问题，它对科研和生产都是十分有用的，例如用测量电子管、示波管、显像管和电子显微镜等多种电子束管内

篇一：用模拟法描绘静电场

用模拟法描绘静电场

静电场是由电荷分布决定的。给定区域内的电荷分布和介质分布及边界条件，可根据麦克斯韦议程组和边界条件来求得电场分布。但大多数情况下求出解析解，因此，要靠数字解法求出或实验方法测出电场分布。

【实验目的】

1.学会用模拟法描绘和研究静电场的分布状况。

2.掌握了解模拟法应用的条件和方法。

3.加深对电场强度及电势等基本概念的理解。

【实验仪器】

导电液体式电场描绘仪，同轴电极，平行板电极，白纸（自备）

【实验原理】

直接测量静电场是很困难的，因为仪表（或其探测头）放入静电场中会使被测电场发生一定变化。如果用静电式仪表测量，由于场中无电流流过，不起作用。因此，在实验中采用恒定电流场来模拟静电场。即通过测绘点定电流场的分布来测绘对应的静电场分布。

模拟法的要求是：仿造一个场（称为模拟场），使它的分布和静电场的分布完全一样，当用探针去探测曲势分布时，不会使电场分布发生畸变，这样就可以间接测出静电场。

用模拟法测量静电场的方法之一是用电流场代替静电场。由电磁学理论可知电解质（或水液）中稳恒电流的电流场与电介质（或真空）中的静电场具有相似性。在电流场的无源区域中，电流密度矢量和静电场中的电场强度矢量所遵从的物理规律具有相同的数学形式，

实验二 静电场的描绘

【目的与任务】

1、理解用模拟法描绘静电场的原理和方法； 2、学会用模拟法描绘静电场的等势线和电场线；

3、定性说明同轴圆柱面和带电直导线电流场的特点及其应用。

【仪器与设备】

静电场描绘仪（西安教学仪器厂生产），万用电表，坐标纸等。 仪器简介： 1、交流电源

交流电源输出电压在0～10V之间连续可调，最大输出电流l A。实验时将输出电压调节到实验要求之值。

2、静电场描绘仪

图1 静电场描绘仪

静电场描绘仪如图1所示，支架采用双层式结构，下层放置水盘和电极，上层安放坐标纸。P是测量探针，用于在水中测量各点的电势，P′是与P联动的记录探针，可将P在水中测得的各电势点通过按下指针P′在坐标纸上打出印迹，同步地记录在坐标纸上。由于P、P′是固定在同一探针架上的，所以两者绘出的图形完全相同。 3、模拟电极

可提供两点电荷(平行输电线)，同轴柱面(同轴电缆)，聚焦电极三种模拟电极。

【原理与方法】

1、直接测量静电场的困难

带电体在周围空间产生的静电场，可用电场强度E或电势U的空间分布来描述。一般情况下，可从已知的电荷分布，用静电场方程求出其对应的电场分布，但对较复杂的电荷分布，如电子管、示波管、电子显

天津城市建设学院大学物理实验中心 大学物理实验A（10101003/10101004） 实验教学指导书

模拟法测绘静电场

【实验目的】

1、学习用模拟法来测绘和研究静电场分布的原理和方法。 2、理解电场强度和电势的概念。

3、测绘出给定模拟场的等势线和电场线分布。

【实验仪器】

静电场描绘实验仪（包括导电微晶、双层固定支架、同步探针等），静电场描绘专用电源，导线。 1、 静电场描绘仪

如图1(a) 所示，静电场描绘实验仪（包括导电微晶、双层固定支架、同步探针等），支架采用双层式结构，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。接通直流电源（10V）就可以进行实验。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是一样的。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电位相同的点，由此即可描绘出等位线。

(a)

图1 静电场描绘实验仪及专用电源

(a)

用电流场模拟静电场

一、实验目的

1. 学习用模拟法测绘静电场的原理和方法。 2. 加深对电场强度和电位概念的理解。

3.能在坐标纸上准确描绘同轴电缆的静电场分布。 4.理解并掌握“模拟法”间接测绘静电场的理论依据。

二、实验原理

静电场和稳恒电流场虽是两个截然不同的电场，但可以用稳恒电流场中的电位分布来模拟静电场的电位分布。对于均匀带电的长直同轴柱面的静电场可以用圆片形金属电极A和圆环金属电极 B所形成的电流场来描绘。

V0 R0 r A r+dr 图1同轴电缆的静电场 图2同轴电缆的电流场

R0 r B 下面比较两种场半径为r处的电势的表达式： 1. 静电场

E??2??0

R0 V??E?dl??2??r??dr?0?2??0?nR0r

设内圆柱与同轴柱面间的电势为V0，则

R0 V0??2??r0??dr?0?2??0?nR0r0

V?V0?nR0r0??nR0r （1）

2. 稳恒电流场

设任意处的电流密度为j，电阻率为?，则该处场强.