用模拟法测绘静电场

【预习思考题】

1．用电流场模拟静电场的理论依据是什么？模拟的条件是什么？

用电流场模拟静电场的理论依据是：对稳恒场而言，微分方程及边界条件唯一地决定了场的结构或分布，若两种场满足相同的微分方程及边界条件，则它们的结构也必然相同，静电场与模拟区域内的稳恒电流场具有形式相同的微分方程，只要使他们满足形式相同的边界条件，则两者必定有相同的场结构。模拟的条件是：稳恒电流场中的电极形状应与被模拟的静电场中的带电体几何形状相同；稳恒电流场中的导电介质是不良导体且电导率分布均匀，并满足σ极>>σ介以保证电流场中的电极（良导体）的表面也近似是一个等势面；模拟所用电极系统与被模拟电极系统的边界条件相同。

2．等势线和电场线之间有何关系？

等势线和电场线处处相互垂直。

3．在测绘电场时，导电微晶边界处的电流是如何流动的？此处的电场线和等势线与边界有什么关系？它们对被测绘的电场有什么影响？

在测绘电场时，导电微晶边界处的电流为0。此处的电场线垂直于边界，而等势线平行于边界。这导致被测绘的电场在近边界处受边界形状影响产生变形，不能表现出电场在无限空间中的分布

特性。

【分析讨论题】

1．如果电源电压增大一倍，等势线和电场线的形状是否发生变化？电场强度和电势分布是否发生变化？为什么？

如果电源电压增大一倍，等势线和电场线的形状没有发生变化，但电场强度增强，电势的分布更为密集。因为边界条件和导电介质都没有变化，所以电场的空间分布形状就不会变化，等势线和电场线的形状也就不会发生变化，但两电极间的电势差增大，等势线的分布就更为密集，相应的电场强度就会增加。

2．在测绘长直同轴圆柱面的电场时，什么因素会使等势线偏离圆形？

测绘长直同轴圆柱面的电场时测到的等势线偏离圆形，可能的原因有：电极形状偏离圆形，导电介质分布不均匀，测量时的偶然误差等等。

3．从对长直同轴圆柱面的等势线的定量分析看，测得的等势线半径和理论值相比是偏大还是偏小？有哪些可能的原因导致这样的结果？

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             电子信息与机电工程学院  普通物理实验  课实验报告

              级  物理(1)  班  B₂  组   实验日期 

           姓名:     学号  号    老师评定                          

 

              实验题目：     静电场的描绘 

实验目的：

1、学习用模拟法研究静电场。

2、描绘二种场结构的等位线。

仪器和用具：静电场模拟迹仪(一套)

实验原理

带电体的周围存在静电场，场的分布是由电荷的分布。带电体的几何形状及周围介质所决定的。由于带电体的形状复杂，大多数情况求不出电场分布的解析解，因此只能靠数值解法求出或用实验方法测出电场分布。直接用电压表法去测量静电场的电位分布往往是困难的，因为静电场中没有电流，磁电式电表不会偏转；另外由于与仪器相接的探测头本身总是导体或电介质，若将其放入静电场中，探测头上会产生感应电荷或束缚电荷。由于这些电荷又产生电场，与被测静电场迭加起来，使被测电场产生显著的畸变。因此，实验时一般采用间接的测量方法(即模拟法)来解决。

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班 级___信工C班___   组 别______D______

姓 名____李铃______   学 号_1111000048_

日 期___2013.4.17__   指导教师___刘丽峰___

【实验题目】_________静电场的描绘                                   

【实验目的】

1、了解静电场模拟的依据；

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。

【实验仪器】

    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开白纸

【实验原理】

    电场强度是矢量，而电位分布是标量，在测量上要简便些，但是直接测量静电场的电位分布是很困难的。因为静电场中无电流，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；再则测量仪表本身总是导体或电介质，与其相连的探针是良导体，一旦把它们引人静电场中，原静电场将发生强烈改变。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

    模拟法要求两个类比的物理现象遵从的物理规律具有相似的数学表达式。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 。

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用电流场模拟静电场

【实验目的】

1.模拟方法来测绘具有相同数学形式的物理场。

2.分布曲线及场量的分布特点。

3.深对各物理场概念的理解。

4.步学会用模拟法测量和研究二位静电场。

【实验仪器】

GVZ-3 型导电微晶静电场描绘仪

【实验原理】

模拟法本质上使用一种易于实现、便于测量的物理状态或过程模拟不易实现、不便测量的状态和过程，要求这两种状态或过程有一一对应的两组物理量，且满足相似的数学形式及边界条件。

一般情况，模拟可分为物理模拟和数学模拟，对一些物理场的研究主要采用物理模拟（物理模拟就是保持同一物理本质的模拟），例如用光测弹性模拟工件内部应力的分布等。数学模拟也是一种研究物理场的方法，它是把不同本质的物理现象或过程，用同一数学方程来描绘。对一个稳定的物理场，若它的微分方程和边界条件一旦确定，其解是唯一的。两个不同本质的物理场如果描述他们的微分方程和边界条件相同，则他们的解是一一对应的，只要对其中一种易于测量的场进行测绘，并得到结果，那么与它对应的另一个物理场的结果也就知道了。由于稳衡电流场易于实现测量，所以就用稳衡电流场来模拟与其具有相同数学形式的其他物理场。

我们还要明确，模拟法是实验和测量难以直接进行，尤其是在理论难以计算时，采用的一种方法，它在工程设计中有着广泛的应用。

(一)模拟长同轴圆柱形电缆的静电场

稳恒电流场与静电场是两种不同性质的场，但是他们两者在一定条件下具有相似的空间分布，即两种遵守规律在形式上相似，都可以引入电位,电场强度，都遵守高斯定律。

对于静电场，电场强度在无源区域内满足以下积分关系

  

对于稳恒电流场，电流密度矢量 j 在无源区域内也满足类似的积分关系：

  

由此可见 E 和 j   在各自区域中满足同样的数学规律。在相同边界条件下，具有相同的解析解。因 此，我们可以用稳恒电流场来模拟静电场。

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梧州学院学生实验报告

成绩：                指导教师：               

专业：                 班别：                实验时间：              

实验人：             学号：                同组实验人：              

 

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用模拟法测绘静电场实验报告

【实验目的】

1．懂得模拟实验法的适用条件。

2．对于给定的电极，能用模拟法求出其电场分布。

3．加深对电场强度和电势概念的理解

【实验仪器】

双层静电场测试仪、模拟装置（同轴电缆和电子枪聚焦电极）、JDY型静电场描绘电源。

[实验原理]

【实验原理】

1、静电场的描述

    电场强度E是一个矢量。因此，在电场的计算或测试中往往是先研究电位的分布情况，因为电位是标量。我们可以先测得等位面，再根据电力线与等位面处处正交的特点，作出电力线，整个电场的分布就可以用几何图形清楚地表示出来了。有了电位U值的分布，由

                                                             

便可求出E的大小和方向，整个电场就算确定了。

2、实验中的困难

实验上想利用磁电式电压表直接测定静电场的电位，是不可能的，因为任何磁电式电表都需要有电流通过才能偏转，而静电场是无电流的。再则任何磁电式电表的内阻都远小于空气或真空的电阻，若在静电场中引入电表，势必使电场发生严重畸变；同时，电表或其它探测器置于电场中，要引起静电感应，使原场源电荷的分布发生变化。人们在实践中发现，有些测量在实际情况下难于进行时，可以通过一定的方法，模拟实际情况而进行测量，这种方法称为“模拟法”。

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1. 为什么不直接测静电场中的电势来描绘等势线？为什么可以用模拟法来测绘等势线？

因为直接用电压表法去测量静电场的电位分布往往是困难的，因为静电场中没有电流，磁电式表不会偏转，另外由于与仪器相接的探测头本身总是导体或电介质，若将其放入静电场中，探测头上会产生感应电荷，或束缚电荷。由于电荷又产生电场叠加起来，会使被测电场产生畸变。

因为他们都遵从相同的数学规律。因此可以用模拟法来测绘等势线。

2如果试验时电源的输出电压不稳定，那么是否会改变电场线和等势线的分布？

没改变的

等势线和电场线形状不会改变 只是他们的同一位置的电势增加 电磁感应更强 形状没有改变

3试从你测绘的等势线和电场线分布图，分析何处的电场强度较强，何处的电场强度较弱？

电势线越密集的地方，场强越强，电势线越稀疏的地方，场强越弱。

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