2025年静电场描绘实验报告——物理实验技巧解析与实践.doc

班级___信工C班___组别______D______

姓名____李铃______学号__

曰期___.4.17__指导教师___刘丽峰___

【试验題目】_________静电场的描绘

【试验目的】

1、理解静电场模拟的根据；

2、学会用模拟法描绘静电场；

3、测绘静电场的等位线、电力线。

【试验仪器】

HLD-DZ-IV型静电场描绘仪（包括双层电极架、同步探针、稳压电源和数字电压表），2张16开白紙

【试验原理】

电场强度是矢量，而电位分布是标量，在测量上要简便些，不过直接测量静电场的电位分布是很困难的。由于静电场中无电流，而任何磁电式电表都需要有电流流过才能偏转，除非用静电式仪表测量；再则测量仪表自身总是导体或电介质，与其相连的探针是良导体，一旦把它們引人静电场中，原静电场将发生强烈变化。因此采用稳恒电流场模拟静电场，来研究、测量静电场的分布。

1. 用稳恒电流场模拟静电场

模拟法规定两个类比的物理現象遵从的物理规律具有相似的数学体現式。由电磁学理论可知，对一稳恒电流场有，对一静电场在无源区域内则有。

比较以上两个方程式可知,两个场的物理量所遵从的物理规律具有相似的数学式。静电场中导体表面為等位面，而电流场中电极一般由良导体制成，同一电极上各点电位相等，因此两个场用电位表达的边界条件也相似，则两个场的解也相似（也許相差一种常数）。因而可以用稳恒电流场来模拟静电场，通过测量稳恒电流场的电位分布来求得所模拟静电场分布。这种运用几何形状和物理规律在形式上相似的，把不便于直接测量的量在相似条件下间接实現的措施為模拟法。

1.長同轴带电圆柱体间电场分布

两无限長同轴圆柱和圆筒各带等量异号电荷，置于真空中，图6.1是这对电极的中间有限部分，我們目前只研究这有限部分电极间的静电场。

由高斯定理可以推导出：（6-1）

式中U0為圆柱A的电位，Ur為距轴心r处的电位。推导中令UA=U0，UB=0。

由（6-1）式可得出：

1.此部分空间静电场的等位面是一系列同轴圆柱面；

2.在垂直于轴线的任一截面内，等位线為一系列同心圆；

3.这一系列同心圆等位线的分布由Ur和r决定，而Ur与lnr為线性关系。

4.模拟模型及仪器描述

用恒流场模拟静电场进行测量，需要根据电极形状的不一样制成不一样的模拟模型，且模拟法的使用有一定条件限制：

1.模拟电极形状、位置应与被模拟的静电场的带电体相似；

2.模拟场中的导电介质是均匀、薄的不良导体，并满足σ电极σ电介质；

3.模拟场所用电极系统与被模拟电极系统的边界条件相似。

试验中所用的不良导体可以是水、导电紙、导电玻璃等，本试验仪是用导电微晶作為导电介质，电极直接制作在导电微晶上面，在电极间加稳恒电压，则电极间的导电介质中便形成稳恒电流场。图6.2是長同轴带电圆柱体电场模拟模型。由于电极的对称性，电流从内电极沿半径流向外电极，形成一簇同心圆的等位线，再根据电力线与等位线正交的特点，画出电力线，这样就可由等位线的间距、电力线的疏密和指向，将抽象的电场形象地反应出来，既测定了稳恒场的等位线就等于测出了对应静电场的等位面。

一般电场的分布是三维问題，但在特殊状况下，可以运用场的对称性，化简為二维问題。長同轴圆柱体的电场、長平行导线的电场除靠近端部的区域外，都可近似看作与坐标z无关的二维场，电场强度E平行于xOy平面。合理选择电力线平面，把该电力线平面上电极系的剖面模型放到导电介质上，既构成模拟场模型，推得空间电场的分布。图6.3是本试验仪电极架所带的四种模拟模型。

线已接到支架的外接线柱上；支架上层放坐标紙。同步探针的上下探针分别与坐标紙和导电微晶接触，并处在同一铅垂线上，两探针的轨迹形状相似。当两电极间加上电压U0后，电极板上将有轴对称的径向电流流过，极间形成一簇同心圆等位线。右手移动探针座，左手让下探针在电极板缓慢移动，同步观测电压表读数，当读数到达所需的值時，右手不动，左手食指轻按上探针的揿钮在坐标紙上同步地打出对应的一种等位点。按同样的措施得到与这一电位值对应的一系列等电位点，连接这些点就构成一条等位线。

描绘仪提供加在电极两端所需的电压值，选择开关扳向“内侧”，电压表指示仪器输出的电压值。同步电压表还能指示下探针所测导电微晶上某点的电位值（选择开关扳向“外侧”）。

【试验内容】

一、测绘同轴圆柱体的电场分布

1将复写紙和坐标紙放置在上层支架板上，并用橡皮磁条压紧。

2按图6.5连接电路，并使探针头置于导电微晶上。

3启动电源开关，将内外选择开关扳向“内侧”，旋转“电压调整”旋钮使电压表指示為8V或0 V。

4将选择开关扳向