测静电场的实验报告

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.

首都师范大学

物 理 实 验 报 告

班 级___信工C班___ 组 别______D______ 姓 名____李铃______ 学 号_1111000048_ 日 期___2013.4.17__ 指导教师___刘丽峰___

【实验题目】_________静电场的描绘 【实验目的】

1、了解静电场模拟的依据； 2、学会用模拟法描绘静电场；

3、测绘静电场的等位线、电力线。

【实验仪器】

HLD-DZ-IV型静电场描绘仪（包括双层电极架、同步探针、稳压电源和数字电压表），

2张16开白纸

【实验原理】

电场强度是矢量，而电位分布是标量，在测量上要简便些，但是直接测量静电场的电位分布是很困难的。因为静电场中无电流，而任何磁电式电表都需要有电流流过才能偏转，除非用静电式仪表测量；再则测量仪表本身总是导体或电介质，与其相连的探针是良导体，一旦把它们引人静电场中，原静电场将发生强烈改变。因此采用稳恒电流场模拟静电场，来研究、测量静电场的分布。 1. 用稳恒电流场模拟静电场

模拟法要求两个类比的物理现象遵从的物理规律具有相似的数学表达式。由电磁学理论可知，对

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

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

2019年高中物理竞赛辅导北京领航元旦班

第一讲：静电场

考点： 电荷守恒定律

库仑定律

电场强度 电场线

点电荷的场强 场强叠加原理 匀强电场

匀带电球壳内、外的场强公式(不要求导出) ※高斯定理及其在对称带电体系中的应用 电势和电势差 等势面 点电荷电场的电势 势叠加原理

均匀带电球壳内、外的电势公式 电场中的导体 静电屏蔽， ※静电镜像法

电容 平行板电容器的电容公式 ※球形、圆柱形电容器的电容 电容器的连联接

※电荷体系的静电能，※电场的能量密度， 电容器充电后的电能 ☆电偶极矩

☆电偶极子的电场和电势 电介质的概念

☆电介质的极化与极化电荷 ☆电位移矢量 一．电荷守恒定律

例1．(第34届预赛题)某一导体通过反复接触某块金属板来充电。该金属板初始电荷量为6μC，每次金属板与导体脱离接触后，金属板又被充满6μC的电荷量。已知导体第一次与金属板接触后，导体上带的电荷量为2μC；经过无穷次接触，导体上所带的电荷量最终为______________。

二．库仑定律 例2．（1）电荷不能自由移动的半圆环，半径为R，均匀带电，带电量为Q。圆心处有一点电荷，带电量为q。试计算半圆环受到圆

实验五 静电场的描绘

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要领的理解。 实验仪器

GVZ一3型导电微晶静电场描绘仪(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，电极间有电导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，由此便可描绘出等位线。

实验原理

在一些科学研究和生产实践中，往往需要了解带电体周围静电场的分布情况。一般来说带电体的形状比较复杂，很难用理论方法进行计算。用实验手段直接研究或测绘静电场通常也很困难。因为仪表（或其探测头）放入静电场，总要使被测场原有分布状态发生畸变；除静电式仪表之外的一般磁电式仪表是不能用于静电场的直接测量，因为静电场中不会有电流流过，对这些仪表不起作用。所以，人

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

北方民族大学 基础物理实验中心 大学物理实验指导书

实验十 DC-A型导电微晶静电场测试仪

在一些科学研究和生产实践中，往往需要了解带电体周围静电场的分布情况。一般来说带电体的形状比较复杂，很难用理论方法进行计算。用实验手段直接研究和测绘静电场通常也很困难。因为仪表（或其探测头）放入静电场，总要使被测场原有分布状态发生畸变；而且除静电式仪表之外的一般磁电式仪表不能用于静电场的直接测量，因为静电场中不会有电流流过，对这些仪表不起作用。所以，人们常用“模拟法”间接测绘静电场的分布。 一、实验目的

1、了解静电场模拟的依据； 2、学会用模拟法描绘静电场； 3、测绘静电场的等位线、电力线。 二、实验仪器

DC－A型描绘仪（包括导电微晶、双层固定支架、同步探针等），如图1所示，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，电极间制作有电导率远小于电极且各向均匀的导电介质。接通直流电源就可进行实验。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。由导电微晶上方的穿梭针找到待测点后

实验三十二 静电场的描绘

【实验目的】

1．学会用模拟法测绘静电场。 2．加深对电场强度和电位概念的理解。 【实验仪器】

EQC-3型导电玻璃静电场描绘仪 【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。由于这些电荷又产生电场，与被测静电场迭加起来，使被测电场产生显著的畸变。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

用电流场模拟静电场一、实验目的

1．学习用模拟方法来测绘具有相同数学形式的物理场。2．描绘出分布曲线及场量的分布特点。3．加深对各物理场概念的理解。二、实验原理

4．初步学会用模拟法测量和研究二维静电场。

1．用稳恒电流场模拟静电场

静电场是真空中静止的电荷产生的电场，静电场用空间各点的电场强度E和电位V来描述。使用等位面和电场线的概念可以使电场的描述形象化。直接测量静电场是很困难的，而稳恒电流场与静电场在是本质上不同的，但在一定条件下导电介质中稳恒电流场与静电场的描述具有类似的数学方程，因而可以用稳恒电流场来模拟静电场。

对静电场，在无源区域内有：?E?dS?0，?E?dl?0slsl

对稳恒电流场，在无源区域内有：?j?dS?0，?j?dL?02．同轴电缆的电场分布及同轴圆柱面电极间的电流分布.

在真空中有一个半径为r1=a的长圆柱体A（A是导体）和一个半径为 r2 =b的长圆筒导体B，它们中心轴重合，带等量异号电荷，则在两个电场间产生静电场。由静电场知识可得距轴r处的电位为

ln

br,,则E?U0?1Ur?U0brblnlnaalnbU1由稳恒电流知识可得Ur??U0r Er??0?brblnlnaa

三、实验仪器

GVZ-3型导电微晶静电场描绘仪（