实验八 模拟法描绘静电场.doc

螀Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;mercialuse莈肇肂袇实验八模拟法描绘静电场蒂肇薅电场强度和电位是描述静电场的两个主要的物理量,为了形象地描述电场中场强和电位的分布情况,人们人为地用电力线和等位面来进行描述。但任一带电体在空间形成的静电场的分布,即电场强度和电位的分布情况,除了一些简单的特殊的带电体外,一般很难写出他们在空间的数学表达式,因此,通常采用实验方法来研究。如果我们用静电仪表对静电场中的电场强度和电位进行测量,这样,因测量仪器的介入就会导致原静电场发生变化。但是,如果采用模拟法,即用稳恒电流场模拟静电场进行测量,就会得到满意的结果。膇蒃蒁【实验目的】;,做出等势线和电力线。薂衿芆【实验仪器】莇芅螇静电场描绘仪、水槽电极、静电场描绘仪电源、连接线。聿蚇螄【仪器简介】莇蚅羀静电场描绘仪由电极架、电极(3种水槽电极)、同步探针等组成,还有配套的静电场描绘仪电源。′薇膃葿P静电场描绘仪示意图见图1,仪器的下层用于放置水槽电极,上层用于安放坐标纸,P是测量探针,用于在水中测量等势点,P′是记录探针,可将P在水中测得的各电势点同步地记录在坐标纸上(打出印迹)。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。羁芈螆蚆薄薆蚃羇羁螆羅衿膁肀薇袆膂蚇袃蝿莃袆薃芈图1静电场描绘仪芁薈芇2、水槽电极羆羄蒄电极的外形如图2所示:(a)为同轴圆柱电极,(b)为平行导线电极,(c)为聚焦电极,肂薁蒂肆莄羁蒀荿肇膆螅薆膂膈袄芆袂莁(a)(b)(c)蚀羇螈图2电极莅芃莃莂羀羃3、同步探针蒅蚄袀同步探针由装在探针座上的两根同样长短的弹性簧片及装在簧片末端的两根细而圆滑的钢针组成,如图三所示。下探针深入水槽自来水中,用来探测水中电流场各处的电势数值,上探针略向上翘起,两探针处于同一铅直线上,当探针座在电极架下层右边的平板上自由移动时,上、下探针探出等势点后,用手指轻轻按下上探针上的揿钮,上探针针尖就在坐标纸上打出相应的等势点。螀蝿蒈蒅肅莄薂蒈肁薅蒆芀羀薁艿图三同步探针蚅蚃蒆【实验原理】蚁芀蒃在一些电子器件和设备中,有时需知道其中的电场分布,一般都通过实验的方法来确定。直接测量电场有很大的困难,所以实验时常采用一种物理实验的方法——模拟法,即仿造一个电流场(模拟场)与原静电场完全一样。因为电流密度正比于电场强度E,即=,为该点的导电率(微分欧姆定律),因此可用微分欧姆定律间接地测出被模拟的电场中各点的电位,连接各等电位点作出等位线。根据电力线与等位线的正交关系,描绘出电力线,即可形象地了解电场情况,以加深对电场强度、电位和电位差概念的理解。,两点电荷A、B各带等量异号电荷,其上分别为+V和-V,由于对称性,等电位面也是对称分布的,电场分布图见图1。袅蒄芃袁袇薂--羅袅肈薃袀蝿ABArVB肄羂芅肁虿羄肄莃螂--螃莈膆-蒈螄莆图1图2膁蒁肂做实验时,以导电率合适的自来水或导电纸为导电质,若在两电极上加一定的电压,可以测出两点电荷的电场分布。,圆环B的中心置一正电荷源A,由于对称性,等位面都是同心圆,电场分布的图形见图2。蚈薆膃如图2所示,设小圆的电位为Va半径为a,大圆的电位为Vb,半径为b,则电场中距离轴心为r处的电位Vr可表示为:莀罿膁Vr=Va-(1)螈蚂蚀又根据高斯定理,则圆环内r点的场强肂螇蚆E=K/r(当a<r<b时)(2)螈肃膅式中K由圆环的电荷密度决定。薀螀薃将(2)式代入(1)式袈蒄肀Vr=Va-=Va-Kln(3)节蕿蒇在r=b处应有Vb=Va-K·ln(b/a)羇袅芆所以K=(4)螀莈蚁如果取Va=V0Vb=0,将(4)式代入(3)式,得到:肇肂葿Vr=V0(5)蒂肇膇为了计算方便,上式也可写作:膇蒃肃Vr=V0(6)袀膀肄(6)式决定出等位线沿r分布的规律,可作定量测量进行分析对比。。A2的电位比A1的电位高。从电子枪Y点散发出的热电子经过此电场时,由于受到电场力的作用,使电子聚焦和加速。图3所示的就是其电场分布。通过此实验,可了解静电透镜的聚焦作用,加深对阴极射线示波管的理解。莇芅膅等位线聿蚇膂莇蚅蚂KA1A2螁蚀蚈蒇螂膆10VA蒃葿芁YEP薇膃肁羁芈蒈BV蚆薄羄蚃羇蚃蒂螁蒁图3图4袇螆腿当用自来水做介质时,为避免直流电压长时间加在电极上,致使电极产生“极化作用”,影响电流场的分布,故本实验在两极间通以交流电压,此交流电压的有效值与直流电压是等效的,所以其模拟的效果和位置完全与直流