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物联谢鑫实验报告
物联一班 谢鑫 20100740123
实验八 直线电荷与共面圆弧电荷之间的相互作用力分析
一、实验目的
1、掌握MATLAB仿真的基本流程与步骤;
2、掌握静电场的基本分析方法与基本性质;
3、理解矢量积分法在静电场分析中的应用;
4、了解数值分析手段在电磁场分析中的应用。
二、实验原理
如图所示,一无限长直线电荷旁边有一共面的圆弧,直线电荷的线密度为(),圆弧均匀带电(),半径为,张角为,弧心到直线的距离为。分析圆弧所受的电场力。
分析与讨论:
基本分析过程:
圆弧长为,电荷的线密度为,在圆弧上取一长为弧元,带电量为,直线电荷在弧元处产生的电场强度方向沿着轴正向,大小为
电荷元所受的电场力为:,
圆弧所受的电场力为:
(1)如果 ,则,根据积分公式可得
但,否则圆弧接触直线电荷。
(2)如果,则积分得
但,否则圆弧接触直线电荷。
(3)如果,则积分得到,这是圆弧与直线电荷接触的情况。的距离称为奇点。
以上仅为简单的分析,讨论了几种特殊情况,下面来分析一般情况:
设
取,可得圆弧所受的电场力:
或
当时,圆弧所受力方向向左,上面两式都要取负号。
下面开始讨论
①当时,可得:
②当时,可得:
③当时,则:
可见:在很远的地方,不论什么样的圆弧电荷都可以当作点电荷。
④当时,这是圆弧上下两端接触直线电荷的情况,可得:
⑤当时,圆弧跨在直线电荷的两边(相互绝缘),圆弧所受直线电荷的作用力仍然由上面两式计算。
⑥当时,圆弧B点从左边接近直线,可得(要加负号):
⑦当时,圆弧跨在直线电荷的两边,其B点从右边接近直线,设 则。由于,可得:
可知:在的两边,力的左右极限并不相等。
再讨论:
①当时,圆弧退化为一点,可得:
这正是点电荷在直线电荷的电场中所受的电场力。
②当时,可得:
这是半圆形电荷所受的电场力。当时,可得:
③当时,可得:,这是圆形电荷所受的电场力。
如果,圆形电荷的边缘就接近直线电荷,则;
如果,圆形电荷就跨过直线电荷(相互绝缘),则。
三、实验内容
1、绘制对于不同的圆弧,电场力与距离之间的变化规律示意图。(可参考下图)
2、结合所绘制的示意图,分析电场力与距离之间的变化规律。
解:1、实验代码:
clear %清除变量
dm=4; %最大距离
d=linspace(-dm,dm,200); %距离向量
alpha=0:30:180; %圆弧半张角向量
a=alpha*pi/180+eps; %化为弧度
n=length(a); %角度个数
[A,D]=meshgrid(a,d); %化为矩阵
F=sign(D+1)*2./A./sqrt(D.^2-1).*atan(sqrt((D-1)./(D+1)).*tan(A/2));%计算电场力
%F=sign(D-1)*2./A./sqrt(D.^2-1).*atan(sqrt((D-1)./(D+1)).*tan(A/2));%计算电场力
%F=sign(D+1)*2./A./sqrt(1-D.^2).*atanh(sqrt((1-D)./(1+D)).*tan(A/2));%计算电场力(同上)
figure %创建图形窗口
plot(d,F) %画电场力
%plot(d,F(:,1),d,F(:,2),--,d,F(:,3),-.,d,F(:,4),:,LineWidth,2)%画电场力
%plot(d,F(:,1),o-,d,F(:,2),d-,d,F(:,3),s-,d,F(:,4),^-)%画电场力
grid on %加网格
leg=[repmat(2\it\alpha\rm=,n,1),num2str(2*alpha),repmat(\circ,n,1)];%图例字符串
legend(leg,4) %图例
axis([-dm,dm,-3,3]) %曲线范围
fs=16; %字体大小
xlabel(\itd/a,FontSize,fs)
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