靜電場描繪實驗報告

1、實驗1 靜電場描繪實驗實驗指導(dǎo)書 實驗三 靜電場描繪實驗講義一、實驗?zāi)康?. 了解模擬法描繪靜電場的依據(jù)及描繪方法。2. 描繪幾種靜電場的等位線。3. 加深對靜電場，穩(wěn)恒電流場的了解。二、實驗器件THME-2型靜電場描繪實驗儀。我們知道，帶電體周圍的電場分布通常是三維空間的，但當(dāng)電場的分布具有某種對稱性時，只要清楚某一個二維平面上的電場分布，即可知其三維空間的電場分布。如長直同軸電纜內(nèi)的電場，長平行輸電線間的電場等，這些場的特點是除靠近端部的區(qū)域外，在垂直于導(dǎo)線的任一平面內(nèi)電場分布都是相同的。所以只要模擬測量出垂直于導(dǎo)線的二維平面內(nèi)的電場分布即可。很多二維平面內(nèi)的電場分布又是對稱的，所以有時只

2、要實際測繪一半的電場分布即可描繪出整個電場的分布。用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場時，如果用水作為電介質(zhì)，若在電極間加上直流電壓，則由于水中導(dǎo)電離子向電極附近的聚集和電極附近發(fā)生的電解反應(yīng)，增大了電極附近的場強(qiáng)，從而破壞了穩(wěn)恒電流場和靜電場的相似性，使模擬失真。因此使用水為電介質(zhì)時，電極間應(yīng)加交流電壓。當(dāng)交流電壓頻率f適當(dāng)時，即可克服電極間加直流電壓引起的穩(wěn)恒電流場分布的失真。交流電源頻率f也不能過高，過高則場中電極和導(dǎo)電介質(zhì)間構(gòu)成的電容不能忽略不計。其次應(yīng)使該電磁波的波長(C/f)遠(yuǎn)大于電流場內(nèi)相距最遠(yuǎn)兩點間的距離，這樣才能保證在每個時刻交流電流場和穩(wěn)恒電流場的電位分布相似。這種交流電流場稱作“似穩(wěn)電

3、流場”。通常f選為幾百到上千Hz，低至50Hz，也可使用。四、實驗內(nèi)容與步驟（一）模擬長同軸電纜中的靜電場模擬同軸電纜內(nèi)靜電場時，采用圓柱電極和水槽內(nèi)的圓環(huán)電極（圓柱電極半徑為a=1cm，圓環(huán)的內(nèi)半徑為b=13.8cm），電路連接如圖1所示，則有： （1）為計算方便，(1)式常改寫為 （2）式中，a=1cm圓柱電極半徑，b=13.8cm為圓環(huán)內(nèi)半徑，r為測量點與圓電極中心點的距離。對于本實驗用儀器，以cm作為長度單位，則因為制造時已使1cm，故(2)式可簡化為 （3）圖1 同軸電纜模型實驗步驟如下：1.把圓柱電極放置水槽坐標(biāo)板中心，圓環(huán)電極放置水槽周沿，用導(dǎo)電桿將它們壓住。2.倒入干凈自來水，

4、自來水的深度應(yīng)和小圓柱上刻劃的細(xì)線大致對齊。3.通過調(diào)節(jié)三個水平調(diào)節(jié)螺釘，并觀察水平泡，將裝置調(diào)水平。4.通過水槽上的兩個接線柱，給電極施加電壓U0，并且把輸出的頻率調(diào)節(jié)到200HZ 左右，幅度為58V，以下各實驗均相同。5.在坐標(biāo)板上選取某個半徑為r的同心圓，在該圓周上選取若干個測量點。用探針測出這些點的電壓Ur。6.此圓即為長同軸電纜橫截面中靜電場的一個等位線。此等位線應(yīng)具有的理論電壓可由式（1）求出。其上各點的實測電壓與理論電壓間的誤差即為該次測量的誤差。7.換取不同半徑的同心圓，重復(fù)以上測量。8.各次實測電壓誤差的平均值，即為本次實驗總的誤差。因探針具有0.1cm的半徑，所以計算r時應(yīng)

5、減去探針的半徑。9.依據(jù)電力線與等位線處處垂直的原理，描繪出靜電場分布圖。（二）模擬長平行圓柱間的靜電場圖2 長平行圓柱的模型及靜電場分布上述的長直同軸電纜內(nèi)靜電場基本上被封閉在電極之內(nèi)，電極外電場極弱，所以模擬比較準(zhǔn)確。本次測繪的長平行圓柱間的靜電場見圖（2）。由于水槽的面積有限，水槽邊緣的電流線無法流到水槽外部去，只能平行于水槽壁流動，無法模擬無限大空間內(nèi)的電力線分布，這樣，水槽邊緣部分的模擬失真較大，只有中央部分的測繪才是比較準(zhǔn)確的。實驗步驟如下：1. 把上個實驗中所用電極從水槽中取出。2. 把兩個大的圓柱（半徑均為14mm）放在導(dǎo)電桿下合適的位置（具體位置自定，中心距大致為4-5cm）

6、，并用導(dǎo)電連桿將其分別壓住，使其接觸良好。3. 把實驗箱上的電源接到水槽的兩個電極A，B施加電壓U0。4. 測量坐標(biāo)（0，-1）點的電壓值，并記錄此值Ui。5. 用探針沿槽底的坐標(biāo)均勻地選取若干個電壓同為Ui的等位點。記下這些點的坐標(biāo)值。6. 換取不同的坐標(biāo)點，如（-1，-1；+1，+1等）；7. 根據(jù)以上測量，畫出靜電場分布圖。（三）平行板間的靜電場 平行板間靜電場的示意見圖（3）。圖3 平行板的模型及靜電場分布實驗步驟：1. 把上個實驗中的兩個圓柱從水槽中取出，把兩塊平行板（長度均為160mm，兩平行板間距離約為80-120mm）放入水槽中合適的位置（具體位置自定）。并用導(dǎo)電連桿將其壓住，

7、使其接觸良好。2. 把實驗箱上的電源接到水槽的兩個電極A，B，并施加電壓U0。3. 用探針沿槽底的坐標(biāo)均勻地選取若干個電壓同為Ui的等位點。記下這些點的坐標(biāo)值。4. 換取不同的U值，重復(fù)以上測量。5. 根據(jù)以上測量，畫出靜電場分布圖。（四）模擬長圓柱與平板之間的靜電場其靜電場如圖（4）所示。圖4 圓柱與平行板的模型及靜電場分布實驗步驟如下：1. 把上個實驗中的兩個平行板從水槽中取出，把一個半徑為14mm的圓柱和一塊平行板（長度均為160mm）放入水槽中合適的位置（具體位置自定）。并用導(dǎo)電連桿將其壓住，使其接觸良好。2. 把實驗箱上的電源接到水槽的兩個電極A，B，并施加電壓U0。3. 用探針沿槽

8、底的坐標(biāo)均勻地選取若干個電壓同為Ui的等位點。記下這些點的坐標(biāo)值。4. 換取不同的U值，重復(fù)以上測量。5. 根據(jù)以上測量，畫出靜電場分布圖。（五）模擬示波管內(nèi)聚焦電極間靜電場描繪為了讓儀器和測量簡單一些，對實驗作了如下簡化：由于所測靜電場是軸對稱的，故只測半個靜電場的電位分布，見圖（5）中的右邊虛線框。 圖5 聚焦電極模型 圖6 聚焦電極的安裝示意圖實驗步驟：1. 將兩個“L”形聚焦電極放入水槽（如圖6所示），用導(dǎo)電桿壓住兩個電極。2. 把水槽的A，B兩端調(diào)高，C，D兩端調(diào)低，使水槽里的水形成一邊厚，一邊薄的楔形。E，F(xiàn)連線表示水槽中水的邊界，邊界上部無水。3. 為了調(diào)出一個左右兩邊一樣厚的楔

9、行水層，以保證能真實地模擬聚焦電場，注意此時水準(zhǔn)泡中的氣泡應(yīng)位于圖（6）所示的位置，既不偏左，也不偏右，同時還應(yīng)測量“L”形電極下端的水深，保證左右兩個電極同處位置的水深一致。為了提高測量精度，水的深度應(yīng)盡量大一些。4. 調(diào)整完畢后，按照實驗三的步驟，測繪出聚焦電極的若干條等位線。5. 依據(jù)等位線，測繪出電力線的分布。（六）速度場的模擬兩塊長平行板間的等位線可模擬流體或不可壓縮氣體的速度場中的流線。在其間置入一塊機(jī)翼截面形狀的模塊后，機(jī)翼模塊上下表面外的等位線的形狀和疏密程度立即發(fā)生不同的變化，反映出流經(jīng)機(jī)翼上下表面的氣流的速度的變化。見圖（7）。置入其它形狀的模塊，如圓柱，則產(chǎn)生不同的變化。

10、模塊置放位置的不同，也會引起等位線變化。如平板截面形模塊平行于等位線置入，只會引起等位線很小的變化。垂直于等位線置入，則會使等位線分布的很大的變化。這反映出平板在水流或氣流中，如平行于來流方向，則受到的阻力很??；如垂直于來流方向，則會受到很大的沖擊阻力。圖7機(jī)翼模型實驗步驟：1. 參照實驗二，將平行板電極放置好，電極之間的間距約為機(jī)翼模塊厚度的三倍。2. 在電極中間平行地放入機(jī)翼模塊。3. 按照實驗二的步驟，測繪出一系列等位線，這些等位線即表示流體場場中的流線。五、實驗注意事項1. 實驗前應(yīng)將水槽坐標(biāo)板和電極等清洗干凈。2. 水槽水平調(diào)節(jié)時應(yīng)先讓水平泡斜對面的支點懸空，調(diào)節(jié)其它三個支點，將水槽調(diào)節(jié)好水平后，再把懸空的支點落實。3. 測量時應(yīng)保持探針和水面垂直，否則會引起測量誤差。4. 接線時應(yīng)注意電源輸出的紅色插孔接到水槽上的紅色插孔。5. 做除實驗