大學(xué)物理實驗靜電場描繪實驗

1、大學(xué)物理實驗靜電場描繪實驗篇一：廣工用模擬法測繪靜電場實驗報告篇二：靜電場的描繪記錄表格物理實驗中心大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)記錄表專業(yè) 班級 姓名學(xué)號分組實驗編組號 :實驗九 靜電場的描繪一、各等位線半徑測量記錄游標尺精度：0.02mm；零點讀數(shù)值 mmA電極半徑：ra0?5.00mm，B電極內(nèi)半徑：rb0?50.00mm 毫伏表量程：Um?10.00V 準確度等級：a?0.5篇三：大學(xué)物理實驗-實驗五用模擬法測繪靜電場NE.實驗五 用模擬法測繪靜電場預(yù)習(xí)重點1.用穩(wěn)恒電流場模擬法測繪靜電場的原理和方法。2.預(yù)習(xí)同軸柱面的電場分布情況。實驗?zāi)康?.學(xué)習(xí)用穩(wěn)恒電流場模擬法測繪靜電場的原理和方法。2.加深

2、對電場強度和電位概念的理解。3.測繪同心圓電極的電場分布情況實驗原理由于帶電體的形狀比較復(fù)雜，其周圍靜電場的分布情況很難用理論方法進行計算。同時儀表（或其探測頭）放入靜電場，總要使被測場原有分布狀態(tài)發(fā)生畸變，不可能用實驗手段直接測繪真實的靜電場。本實驗采用模擬法，通過同心圓電極產(chǎn)生的穩(wěn)恒電流場模擬同軸柱面帶電體形狀的帶電體產(chǎn)生的靜電場。一、模擬的理論依據(jù)為了克服直接測量靜電場的困難，可以仿造一個與待測靜電場分布完全一樣的電流場，用容易直接測量的電流場去模擬靜電場。靜電場與穩(wěn)恒電流場本是兩種不同的場，但是兩者之間在一定條件下具有相似的空間分布，即兩種場遵守的規(guī)律在數(shù)學(xué)形式上相似。對于靜電場，電場

3、強度在無源區(qū)域內(nèi)滿足以下積分關(guān)系?E?ds?0 ?E?dl?0sl對于穩(wěn)恒電流場，電流密度矢量J在無源區(qū)域內(nèi)也滿足類似的積分關(guān)系?J?ds?0 ?J?dl?0sl由此可見，E和J在各自區(qū)域中所遵從的物理規(guī)律有同樣的數(shù)學(xué)表達形式。若穩(wěn)恒電流場空間均勻充滿了電導(dǎo)率為的不良導(dǎo)體，不良導(dǎo)體內(nèi)的電場強度E?與電流密度矢量J之間遵循歐姆定律： J=?E?因而，E和E?在各自的區(qū)域中也滿足同樣的數(shù)學(xué)規(guī)律。在相同邊界條件下，由電動力學(xué)的理論可以嚴格證明：具有相同邊界條件的相同方程，解的形式也相同。因此，可以用穩(wěn)恒電流場來模擬靜電場。二、模擬長同軸圓柱形電纜的靜電場利用穩(wěn)恒電流場與相應(yīng)的靜電場在空間形式上的一致

4、性，只要保證電極形狀一定，電極電位不變，空間介質(zhì)均勻，則在任何一個考察點，均應(yīng)有“U穩(wěn)恒=U靜電”或“E穩(wěn)恒=E靜電”。以下以同軸圓柱形電纜的靜電場和相應(yīng)的模擬場穩(wěn)恒電流場來討論這種等效性。2.5.1如圖2.5.1（a）所示，在真空中有一半徑為ra的長圓柱形導(dǎo)體A和一個內(nèi)徑為rb的長圓筒形導(dǎo)體B，它們同軸放置，分別帶等量異號電荷。由對稱性可知，在垂直于軸線的任一個截面S內(nèi)，都有均勻分布的輻射狀電力線，這是一個與軸向坐標無關(guān)而與徑向坐標有關(guān)的二維場。取二維場中電場強度E平行于xy平面，則其等位面為一簇同軸圓柱面。因此，只需研究任一垂直橫截面上的電場分布即可。距軸心O半徑為r處見圖2.5.1（b）

5、的各點電場強度為E=?r0 2?0 r式中，為A（或B）的電荷線密度。其電位為Ur?Ua?raE?dr?Ua?若r=rb時Ur=Ub=0，則有 r?rln (2.5.1) 2?0raUa? 2?0ln(rbra)代入式（2.5.1）得Ur?Ua距中心r處電場強度為 ln(rbr) (2.5.2) ln(rbra)Er?U1dUr?a (2.5.3) rrdrlnbra若上述圓柱形導(dǎo)體A與圓筒形導(dǎo)體B之間不是真空，而是均勻地充滿了一種電導(dǎo)率為的不良導(dǎo)體，且A和B分別與直流電源的正負極相連（見圖2.5.2），則在A、B間將形成徑向??？梢宰C明不良導(dǎo)體中的穩(wěn)恒電流場Er?與原真空中的靜電電流，建立起

6、一個穩(wěn)恒電流場Er場Er是相同的。取高度為t的圓柱形同軸不良導(dǎo)體片來研究。設(shè)材料的電阻率為(=1/)，則從半徑為r的圓周到半徑為r+dr的圓周之間的不良導(dǎo)體薄塊的電阻為dR?半徑r到rb之間的圓柱片電阻為 ?dr 2?trRrrb?r?rdr?lnb ?r2?tr2?trb由此可知，半徑ra到rb之間圓柱片的電阻為Rrarb?若設(shè)Ub=0，則徑向電流為 r?lnb 2?traI?Ua2?tUa? Rrarb?lnbra距中心r處的電位為Ur?IRrrb?Ualn(rbr)（2.5.4） ln(rbra)?為 則穩(wěn)恒電流場ErEr?dUr?Ua1? （2.5.5） drlnbrra可見式（2.5

7、.4）與式（2.5.2）具有相同形式，說明穩(wěn)恒電流場與靜電場的電位分布函數(shù)完全相同，即柱面之間的電位Ur與l均為直線關(guān)系，并且Ur/Ua即相對電位僅是坐標的函數(shù)，與電場電位的絕對值無關(guān)。顯而易見，穩(wěn)恒電流場E?與靜電場E的分布也是相同的。三、模擬條件用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場的條件可以歸納為下列三點。（1）穩(wěn)恒電流場中的電極形狀應(yīng)與被模擬的靜電場中的帶電體幾何形狀相同；（2）穩(wěn)恒電流場中的導(dǎo)電介質(zhì)應(yīng)是不良導(dǎo)體且電導(dǎo)率分布均勻，并滿足電極>>導(dǎo)電質(zhì)才能保證電流場中的電極（良導(dǎo)體）的表面也近似是一個等位面。（3）模擬所用電極系統(tǒng)與被模擬靜電場的邊界條件相同。四、靜電場的測繪方法由式（2.5

8、.3）式可知，場強E在數(shù)值上等于電位梯度，方向指向電位降落的方向?？紤]到E是矢量，而電位U是標量，從實驗測量來講，測定電位比測定場強容易實現(xiàn)，所以可先測繪等位線，然后根據(jù)電場線與等位線正交的原理，畫出電場線。實驗儀器本實驗用DZ-2型靜電場描繪儀來測量電流場中各點電位。描繪儀分為電源、電極架、同步探針和水槽電極等幾部分。見圖2.5.3一、儀器介紹1.電極架電極架分為上、下兩層。上層用來放記錄紙，下層放待測水槽電極。2.水槽電極 水槽電極是將不同形狀的金屬電極固定在有機玻璃制成的水槽內(nèi)，水槽的一側(cè)裝有一對接線柱，可與電源的兩極相連。本實驗用點狀電極、同心圓電極、聚焦電極。3.同步探針 同步探針由

9、裝在底座上的兩根同樣長的彈性金屬片（探針臂）和兩根細 而圓滑的探針構(gòu)成。同步探針可以在電極架上層水平移動，下探針則在水槽內(nèi)自由移動，由此可探測電流場中各點電位大小。上、下探針處在同一條垂直線上。當(dāng)下探針探出等位點時，按上探針按鈕，即可在上方的坐標紙上打下一個點，記下相應(yīng)等電位的點。4.描繪儀電源 描繪儀電源（見圖2.5.3 c）可提供交流020V連續(xù)可調(diào)電壓和最大值為300mA的輸出電流。若將電表轉(zhuǎn)換開關(guān)撥向“ 輸出”，此時電源可作常規(guī)電源使用。電壓表指示的值即是電源輸出的電壓值。若將電表轉(zhuǎn)換開關(guān)撥向“ 測量”，此時電壓表指示的讀數(shù)是下探針所測得的水槽中某點的電位值。二、儀器使用方法1.在水槽

10、中裝適量的自來水，將其放入電極架的下層（要求放正、放平）。然后接好電源與電極、電源與探針之間的連線。注意:其中電源輸出電壓接線端與電極接線柱相接、測量接線端一接線柱與探針接線柱相接、另一接線柱與輸出電壓任一接線柱相接。2.開機前，輸出電壓調(diào)節(jié)旋鈕逆時針選到頭，然后打開電源開關(guān)，將電表轉(zhuǎn)換開關(guān)撥向“ 輸出”,調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)旋鈕，使電壓表達到所需電壓值13V。注意：轉(zhuǎn)動電壓調(diào)節(jié)旋鈕時，不要用力過大，應(yīng)緩慢均勻調(diào)節(jié)；數(shù)字電壓表最高位顯示為“1”，其余數(shù)碼管不亮，表示超量程。3.將電表轉(zhuǎn)換開關(guān)撥向“測量”,在電極架的上層壓入坐標紙，將下探針置于水槽中，這時，電壓表指示不為零，指示值即為探測點的電位值。4

11、.測等電位時，先設(shè)定一個電位值（如1V、 2V?），右手握同步探針座在電極架下層作平穩(wěn)移動，當(dāng)下探針移到某位置時，電表指示等于所設(shè)定值，用左手輕輕按上探針按鈕，在坐標紙上打出一個細點。如此繼續(xù)移動探針座，便可找出一個設(shè)定值下的若干等位點。取不同設(shè)定值，則可得到不同電位值的等位點。連接相應(yīng)的等位點就形成不同電位值的等位線。實驗內(nèi)容一、熟悉儀器熟悉電極架、同步探針、描繪儀電源等儀器的使用方法。詳見上節(jié)。二、測量1.取同心圓水槽電極放入電極架下層，接通電源。2.令同步探針的下探針分別與水槽電極的兩極接觸，觀察電壓指示的變化。旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)節(jié)旋鈕，使兩極間的電位差為12V，找出2V、4V、 6V、8V、10V電壓值對應(yīng)的等位點。每個設(shè)定電壓值的等位點至少取10個點。3.將電位相等的點連成光滑曲線即成為一條等位線。三、畫圖1.標出每條等位線代表的電壓值，寫圖名。2.根據(jù)