实验十四 静电场的描绘

实验十四 静电场的描绘 实验十四 静电场的描绘 【实验目的】 1( 学会用模拟法测绘静电场。 2( 测定给定形状的电极间的电场分布。 3( 加深对电场强度和电位概念的理解。 【实验仪器】 静电场测绘仪一台、电阻箱2个、交流信号发生器一台、交流毫伏一台、耳机一个、绘图纸、导线若干。 【实验原理】 带电体在它的周围空间产生电场，电场的分布可用场中每点的电场强度矢量E 及电势V 来表征。使用电力线和等势线(面)的概念，可以将电场的分布特征明显地表示出来，所谓电力线，是这样一些曲线，在这些曲线上每点的切线方向都和该点的场强方向相重合。所谓等势线(面)，就是电场中电势相等的点所形成的曲线(面)。根据电势概念的物理意义，电力线处处与等势线(面)正交。因此，如果等势线的分布已知，便可作出一系列电力线，从而得出一幅电场分布图。 一般说来，直接测量静电场中的电位是很困难的。因为真正的静电场中没有运动电荷，不能提供电流，也就不能使电表指针偏转，而且电表本身总是导体或电介质，将它放入静电场中总会引起静电场的严重畸变。因此我们采用模拟法来测量静电场的分布。 如果两种不同形式才场所遵从的物理规律形式上相似，那么我们就可以用便于测量的场去代替不易测量的场。这种研究方法称为模拟法。理论和实验都能证明，均匀导电介质中稳恒电流建立起来的电场(稳恒电流场)与静电场有完全相似的物理规律。例如这两种场都有电势概念，而且都遵从高斯定理和拉普拉斯方程。当电流中的电极与静电场中的带电体在形状、位置和电势都相同时，则两种场的分布就完全相同。因此可以用易于测量的的稳恒电流和模拟静电场。这样就可以用简单的方法去测定电场中的电势分布，以描绘出等势线和电力线，在现代复杂的电子技术中，如电子显微镜，阴极射线示波管等，其中的电场分布都可用这种模拟法求得。 [仪器描述] 本实验所用的仪器装置如图14-1所示。 低频信号发生器 ~ B A 100Ω100Ω100Ω100Ω100Ω100Ω C P Q 图14-1 静电场实验装置 图中AB为分压器，M为平底盆，盆内放一张用玻璃板压着的坐标纸，盆中充以稀电解液(自来水)作为均匀电介质，P、Q为两个分别为与A、B相连接的柱状金属电极，F为活动金属探针，在F与C之间接上耳机T。接通信号发生器的电源后调节其输出电压，就有似稳电流在电极P、电解液及电极Q之间流过，因为金属电极的导电率大的多。所以电极是等势体。因而，在电解液中形成的电场分布与两平行输出导线在真空中(或在空气中)所形成的静电场的垂直截面的二维图形相似。 设在A、B(亦即P、Q)之间加上电压U，并设Q点电势为零，则场中的电势在0到U之间的范围内，将探针F在电解盘中移动到耳机无声时，该点的电势便与C点电势相同，即为U，找出若干个无声的点，用坐标纸将它们记录C 下来，再将这些点连成光滑曲线，即得到电势为U的一条等势线，改变C点的C 位置，进行同样的探测，便可得到一系列的等势线。取相邻的等势线间的电势差相等时，则等势线密的地方场强大，等势线稀疏的地方场强小，从而得到一幅电 场分布图。 实际上，图中A、B 由两个电阻箱R和R组成，实际电路为“ACB”。在ACCB 实验过程中，保持AB间的电阻为600欧不变，即任何时候都有R=R+R=600Ω改变R和R的值，即能改变R的电压降，即改变C的ABACCBACCBCB 电势。 【实验方法和步骤】 一、 测绘两平行输电导线垂直截面上的电场。 1、 按图14-1所示，将电极P、Q垂直置于盆的中部，相距10厘米，用导 线将各仪器连接好，接通低频信号发生(仪器用法参见附录)，预热15分 钟，取信号发生器频率为f=1000Hz，调节它的输出电压值U=3.00伏，取PQ R=600Ω，并保持不变。 AB 2、 为了得到分布对称的电场，盆中的电解液的深浅要一致，即盆要保持水 平，为此先测1.50伏的等势线，取R=R=300Ω，将探针置于P、Q连线ACCB 'S的中垂线的各点上，调节螺丝S及，使耳机T无声或声音最小，最后将 所测各点按1:1比例记录在坐标纸上，这样1.50伏的等势线测好了，盆的 水平也调好了。 3、 改变R和R的值，使C点电势为0.50V，用探针测出若干个对Q点ACCB 为0.50V的等势按1:1比例记录在坐标纸上。 4、 依次测出1.00伏、2.00伏的等势线，每条线匀称地测出若干个点，按1: 1比例记录在坐标纸上。 5、 用曲线板将各等势点连成圆滑的曲线(用虚线)，然后根据电力线与等势 线相互垂直的原理，用实线作出一系列的电力线(用实线)就得出一幅电 场分布图。 二、 换用两个中央开缝的金属平行电极，使电极相距4.0厘米，仿上测出两 电极间的电场分布图。 思考题 1、如用晶体管毫伏表来测量电解盆中各点的电势时，实验应怎样装置及操 作, 2、本实验如用直流供电，实验应怎样进行, 3、为什么电势差相等的等势线间的距离并不相同,等势线的疏密说明什么 问题,