实验六模拟法测绘静电场

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1、实验六模拟法测绘静电场实验六模拟法测绘静电场一、实验目的1.了解用模拟法测绘静电场分布的原理；2.用模拟法测绘静电场的分布，做出等势线和电场线。二、实验仪器静电场描绘仪、电极、静电场描绘仪电源、水槽（导电纸）、数字电压表、连接导线等。仪器介绍静电场描绘仪由电极架、电极（DZ-型3种导电纸电极）、同步探针等组成，还有配套的静电场描绘仪电源。1.静电场描绘仪静电场描绘仪示意图见图34-1,仪器下层用于放置水槽导电纸电极，上层用于安放坐标纸，F是测量探针，用于在水屮或导电纸上测量等势点，F是记录探针，可将F在水屮或导屯纸上测得的各电势点同步地记录在坐标纸上（打出印迹）。由于庁、F

2、是固定在同探针架上的，所以两者绘出的图形完全和同。2.电极电极的外形如图34-2所示：其屮⑷为同轴圆柱面电极，⑷为平行导线电极，©为聚焦屯极，⑷为平行板电极，御为点与平板电极。⑷/◎-•-••///-d/0)◎图34-2电极板1.同步探针图34-3同步探针同步探针由装在探针座上的两根同样长短的弹性簧片末端的两根细而圆滑的钢针组成，如图34-3所示。下探针深入水槽的水中或导电纸上，用来探测水中电流场或导电纸上电场各处的电势数值，上探针略向上翘起，两探针通过金属探针臂固定在同一手柄上，两探针始终保持在同一铅垂线上，移动手柄座时，可保证上下两个探针的运动轨迹是-样的。当探针座在电

3、极架下层右边的平板上自由移动时，下探针探出等势点后，用手指轻轻按下上探针上的按钮，上探针针尖就在坐标纸上打出相应的等势点。2.静电场描绘电源（1）技术指标①适用电源：如±1叽50他；②输岀稳压电压：AC°~叱址频率八8倔（"—12型）；DC0~10K（DC-io型）；③最大输出电流：0.5-；④交流数字电压表最大量程:数字电压表最人量程：19.99K；内阻:10MD⑤适用环境：温度-20~够＜7,相对湿度弋80*。（2）使用操作①开机前，先将“测量、输出”转换开关拨向“输出”o②按实验要求连接好电路，检查无误后打开电源开关。③调节输出电压到预设制后，转换开关拨向“测量”进行

4、测量，实验结束时，再将转换开关拨回“输出”后关闭电源。三、实验原理带电体在其周围空间会产生静电场，可以用电场强度兰或电位二的空间分布来描述。在一些电子器件和设备中，常常需要知道其中的电场分布。一般情况下，可以从已知的电和分布，用静电场方程求出其对应的电场分布，但对于较为复杂的静电场分布，数学上仍十分困难。因此，-般都希望通过实验的方法来确定，但直接测量电场有很人的困难。因为一是静电场中无电流，不能适用磁电式仪表，而只能使用较复杂的静电仪表和相应的测量方法；二是探测装置必然是导体或电介质，一旦放入静电场，将会产生感应电荷，使原电场发生畸变,影响测量结果的准确性。若用相似的电流

5、场来模拟静电场，则可从电流场得到对应的静电场的具体分布。如果两种物理现象在一定条件下满足同一形式的数学规律，就可将对其中一种物理现象的研究来代替对另一种物理现象的研究，这种研究方法称作模拟法。静电场和稳恒电流场相似的理论依据是：当空间不存在体分布的自由电荷时，各向同性的电介质中的静电场满足下列方程：式中的兰为静电场的电场强度矢量。在各向同性的导电介质中的稳恒电流场的电荷分布与时间无关，于是电荷守恒定律满足下列方程：ffr^=0沪“式中的「为稳恒电流的电密度矢量。比较上述两组方程可知，各向同性的均匀介质中静电场的电场强度兰和各向同性的导电介质中稳恒电流场的电流密度y所遵守的物

6、理规律具有相同的数学表达式。在相似的场源分布和相似的边界条件下，它们的解表达式也相同。因此这两种场可以相互模拟，并且测量稳恒电流场中的电位比测量静电场中的电位要简单、易行的多。根据欧姆定律的微分形式：电流密度了正比于电场强度兰，即7=6直，二为该点的导电率。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垂直关系，描绘出电力线，即可形象地了解电场情况，又加深了对电场强度、电位和电位差概念的理解。在实验中用稳恒电流场来模拟静电场是运用了形式上的相似性，但相似不是等同，在使用模拟法时，必须注意它的适用条件：（1）电流场中导电

7、介质分布必须相当于静电场中的介质分布。（2）静电场中导体的表面是等位面，则稳恒电流场中导电体也应该是等位面，这就要求需采用良好的导体制作电极，且导电介质的电导率也不宜太大并要均匀。（3）测定导电介质中的电位时，必须保证探测电极支路无电流通过。1・两点电荷的电场分布（单相双线式电力传输线断面的电场分布）由图34-4中虚线所示，正负点电荷三、＜各带等量异号电荷，其上电位分别为+"和-二由于对称性，等电位面也是对称分布的，电场分布如图34-4中实线所示。实验时，用导电率二合适的自来水或导电介质，填充在34-4平行导銭的电