恒穩(wěn)電流場模擬靜

恒穩(wěn)電流場模擬靜電場目的1.了解恒穩(wěn)電流場模擬靜電場的依據(jù)。2.學(xué)習(xí)使用模擬法研究靜電場的方法。3.考察靜電場的一些重要性質(zhì)。儀器使用QE-2型靜電場模擬描跡儀、電壓表、直流穩(wěn)壓電源、滑線變阻器、導(dǎo)電紙、米尺和游標(biāo)卡尺等。原理在直接對靜電場進(jìn)行測量時，只能采用靜電式儀表，這種儀表只有在電源通過時才有反應(yīng)，而靜電場不會有電流。另外，儀表本身總是導(dǎo)體或電介質(zhì)，引入靜電場后將改變原有靜電場的性質(zhì)。如果將帶電體放在導(dǎo)電的介質(zhì)里，維持帶電體間電位差不變，介質(zhì)里便會有恒定不變的電流。這樣，就可用電壓表測量介質(zhì)中各點(diǎn)的電位置，再根據(jù)電位變化的最大方向可計算出電場強(qiáng)度。理論和實踐都證明，導(dǎo)電介質(zhì)里由恒穩(wěn)電流場與靜電場的規(guī)律完全相似，因此在恒溫電流場中測量到的點(diǎn)位分布可應(yīng)用到靜電場中去，這種比擬方法稱為模擬法。1.同軸圓柱形電容器中靜電場的模擬在同軸圓柱形電容器中，由于軸對稱型，場強(qiáng)和點(diǎn)位與軸向坐標(biāo)無關(guān)，所以只要研究與軸垂直的二維平面內(nèi)的電場分布規(guī)律即可。如圖為同軸圓柱形電容器模擬靜電場的實驗原理。圖中A和B分別為電容器的內(nèi)外電極，內(nèi)外半徑分別為a,b，他們的下端面都與導(dǎo)電紙P之間保持著良好的接觸。（1）靜電場的點(diǎn)位分布為了計算電極A,B間的靜電場，只需取掉A,B之間導(dǎo)電紙，并設(shè)內(nèi)外電極各帶電荷為+Q和-Q，電位分別為，0，作半徑為r的高斯面（柱面），設(shè)此面上電場強(qiáng)度為E，由高斯定理可知，，故（34—1）由公式（34—1）有

積分上式得（34—2）

其中。應(yīng)用邊界條件：r=a時，U=Uo；r=b時，Ur=0，分別代入（34—2）式，解出積分常數(shù)C=Klnb和k=Uo/(lnb-lna),再把K的值和C的值代入式（34—2），整理后得

（34—3）

式（34—2）、（34—3）表示柱面之間的電位Ur和r的函數(shù)關(guān)系?？梢奤r和lnr是線性關(guān)系，并且相對電位Ur/Uo僅僅是坐標(biāo)r的函數(shù)。

（2）穩(wěn)定電流場地的電位分布

為了計算A,B兩極板間的恒溫電流場，只需要在兩極間加上均勻的導(dǎo)電紙（是一種不良的導(dǎo)體），根據(jù)歐姆定律可知，從電極A經(jīng)過導(dǎo)電紙流到電極B的電流強(qiáng)度

(34—4)式中Uo是穩(wěn)定電源的輸出電壓，R是A,B間的等效電阻，鑒于導(dǎo)電紙的均勻性和柱形電容器的對稱性，總電流可寫成

（34-5）式中h為導(dǎo)電紙的平均厚度，r為離中心軸的距離，j為r處的電流密度，它與該處的電場強(qiáng)度成正比（34-6）

由（34-4），（34-5），（34-6）式可求出

（34-7）

式中C是常數(shù)。當(dāng)電場強(qiáng)度的分布確定后，場中各點(diǎn)電位可根據(jù)

計算出來，式中積分常數(shù)C由電極的形狀，即邊界條件確定。

將（34-7）式中代入（34-8）式中，并應(yīng)用邊界條件：r=a時，;r=b時，。不難推出電容器中離中心軸的距離r處的電位表達(dá)式

（34-9）

由此可見穩(wěn)恒電流場和靜電場的點(diǎn)位分布的表達(dá)式完全相同。這樣，如果測出了電流場的電位分布，就相當(dāng)于測出了相同條件下靜電場的電位分布，這就是模擬法的原理。

（3）模擬法的條件由上述分析可見，要想用一種場模擬另一種場，二者必須滿足相似的物理方程，同時要有相同的邊界條件。具體到本實驗中所用的模擬法，則應(yīng)滿足以下條件：一，所用穩(wěn)恒電流場中導(dǎo)電紙的電導(dǎo)率必須均勻分布；二，所用穩(wěn)恒電流場的邊界條件和要考慮的靜電場的邊界條件相同；三，靜電場中的帶電體表面是一個等位面，并要求穩(wěn)恒電流場中的導(dǎo)電體也是等位面。因此，只有當(dāng)作為電極的良導(dǎo)體的電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于作為導(dǎo)電紙的導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)率時才能保證。為了計算某種電勢的r值，可求（34-9）式的反函數(shù)，即（34-10）同時，為了處理數(shù)據(jù)的方便，化簡（34-9）式，可得到（34-11）如果取lnr為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)，則上式表示的是一條截距為lnb,斜率為ln(a/b)的直線。

內(nèi)容步驟圓柱形電容器中等位線分布的模擬測繪保持電源電壓為=7V。用實驗室配置的記錄裝置記錄等電位分別為1V,2V,3V,4V,5V的點(diǎn)各15個。并將各等位點(diǎn)連接起來，描繪出等位線，并標(biāo)明各等位線上的等位值。在此基礎(chǔ)上畫出電力線，指出電場強(qiáng)度的方向，簡單說明等位線、電力線和電場強(qiáng)度的關(guān)系。同軸圓柱形電容器中的等位線，在理想條件下是以軸線為中心的同心圓，但由于電極與導(dǎo)電紙間存在接觸電阻，使圓心和半徑都可能偏離真實值。

因此，要找到實驗得到的圓心和半徑，首先根據(jù)等位線的分布，利用目測定出一個最佳的圓心位置，然后求出個圓半徑的平均值，即將該圓的測定點(diǎn)與目測圓心連接起來，求得半徑平均值。在坐標(biāo)紙上，以為橫坐標(biāo)，