用电流场模拟静电场

一、实验目的

1. 学习用模拟法测绘静电场的原理和方法。

2. 加深对电场强度和电位概念的理解。

  3.能在坐标纸上准确描绘同轴电缆的静电场分布。

  4.理解并掌握“模拟法”间接测绘静电场的理论依据。

二、实验原理

静电场和稳恒电流场虽是两个截然不同的电场，但可以用稳恒电流场中的电位分布来模拟静电场的电位分布。对于均匀带电的长直同轴柱面的静电场可以用圆片形金属电极A和圆环金属电极 B所形成的电流场来描绘。

              

图1同轴电缆的静电场                          图2同轴电缆的电流场

下面比较两种场半径为r处的电势的表达式：

1.   静电场

  

 

设内圆柱与同轴柱面间的电势为，则

                

                           （1）

2.   稳恒电流场

设任意处的电流密度为j，电阻率为，则该处场强.

             （其中t为电纸厚度）

设加在A、B两极间的电势差为，则

                           

   则

                         （2）

   比较（1），（2）两式可知，在离开圆心r处两场电势有完全相同的表达式。故可用稳

恒电流场模拟静电场。

三、实验仪器

EQC-2型双层式静电场测绘仪一套，直流稳压电源(10V，1A)，电压表

四、实验步骤

1. 将导电玻璃上内外两电极分别与直流稳压电源的正负极相连接，电压表正负极分别与同步探针及电源负极相连接。调节电源电压到10.0V。

2. 移动同步探针测绘同轴电缆的等位线簇。相邻两等位线间的电位差为1伏，共测八条等位线，每条等位线测定出八个均匀分布的点。

3. 以每条等位线上各点到原点的平均距离为半径画出等位线的同心圆簇。然后根据电力线与等位线正交原理，再画出电力线，标明等位线的电压大小，并指出电场强度方向，得到一张完整的电场分布图。

4. 在坐标纸上作出相对电位和的关系曲线，并与理论结果比较。

五、数据记录和数据处理

       

式中根据  计算得出。

数据处理要求：1）在坐标纸上描绘同轴电缆的静电场分布；

2）填写上表；

3）根据表格数据在坐标纸上作~图线。

六、注意事项

测量时，探针每次应该从外向里或者从里向外沿一个方向移动，测量一个点时不要来回移动测量，因为探针能够小幅转动，向前或向后测量同一点会导致打孔出现偏差。

七、思考题

1）  用电流场模拟静电场的条件是什么？

提示：几何现状完全一样；边界条件完全一样；物理表达式完全一样。

2）  如果电源电压增加一倍，等位线和电力线的形状是否发生变化？电场强度和电位分布是否发生变化？为什么？

提示：如果电源电压增加一倍，等位线仍然是系列同心圆，电力线仍然为径向辐射状，不会发生变化。但是因为电压增加，则空间各处的电场强度会增加，电位分布会变得密集起来。

3）  测量电场产生畸变，试分析其原因。

提示：电介质的电导率不均匀；探针与导电膜接触不良；测量不是沿同一方向。

第二篇：3.静电实验研究 实验报告

静电实验研究  实验报告

【实验目的】

1、 掌握静电的特点分析静电演示实验成功的关键。

2、 掌握静电学的主要实验的演示方法掌握韦氏起电机和范德格拉夫起电机的构造及使用方法。

3、 加深对静电现象及其原理的理解。

【实验器材】静电计

韦氏起电机、范德格拉夫起电机、验电器、验电羽、金属网、尖形布电器、平行板电容器、枕形导体、球形导体、起点盘及静电除尘装置、绝缘体等。

【仪器介绍】一、验电器

验电器是用来检验物质是否带电的仪器。验电器的结构如图1所示

验电器的工作原理是当带电物质接触金属球时就会有很少的带电粒子传到验电器上面金属箔就会张开。验电器金属箔张开的角度和物质带电量的大小成正比。

利用验电器判断物质所带电量正负的方法很简单先将一个物体与球接触再将另一个物体与

球接触张角变大表明两物体带同种电荷张角变小

或张角先变小后变大表明两物体带异号电荷。

二、 静电计

将验电器装上刻度盘与金属底座就构成了一个静电计静电计的示意图如右图 静电计可以测量带点物质的电势。将带点物质连接到小球上显示的就是对于地面的电势。将两个物体分别接于金属球和底座测得的就是两物体的电势差。

三、 起电机

1、         韦氏起电机韦氏起电机是实验室常用的起电机示意图如下

图 1  验电器示意图

图 2  静电计

 图 3  韦氏起电机示意图

韦氏起电机是利用静电感应原理制作的它靠莱顿瓶积累电荷。当积累的电荷达到一定的数量两个金属球就会放电。

2、         范德格拉夫起电机

 图4 范德格拉夫起电机

范德格拉夫起电机是利用橡胶皮带将负电荷从内部不断的运送到电极上使电机所带的电荷越来越多电势也越来越高。理论上对地电位可以达到无穷大。

【实验内容】

实验一  演示感应起电

1、         摩擦起电

两种物质相互摩擦电子在力的作用下会从一个物体转移到另一个物体两个物体就会带异号电荷。

丝绸摩擦玻璃棒带正电。毛皮摩擦橡胶棒带负电。

带电玻璃棒接触验电器验电器有张角。带电橡胶棒接触验电器张角闭合。

可见两个带异号电荷。

2、         感应起电

将带电物体靠近导体由于同性相斥异性相吸导体靠近带点物质的部分会带异号电荷远离的部分带同种电荷。

将带电玻璃棒靠近验电器验电器有张角可见感应起电。将一个接地的导线接触验电器验电器的张角闭合。将导线离开验电器玻璃棒也远离验电器 验电器又有张角表明验电器带电。接地的导线使验电器上与玻璃棒同号的电荷传到地上验电器上就只有与玻璃棒异号的电荷。这时拿带电橡胶棒接触验电器验电器张角闭合。

 图5  静电感应演示

同理可用玻璃棒使枕型导体带电。先接近测量枕型导体的两端发现枕型导体两端带异号电荷再分开枕型导体玻璃棒远离用验电器检验可以发现枕型导体两半带等量异号电荷。

3、         起电盘感应起电

用丝绸或毛皮摩擦绝缘盘就可使绝缘盘带电。将绝缘盘靠近铝盘铝盘感应起电用手接触铝盘再放开手远离绝缘板铝盘带电。

4、         感应起电机起电

感应起电机是利用静电感应原理制作的。

用范德格拉夫起电机做人体带电实验可以使头发竖起来但现象并不十分明显只有一些头发的飞扬。

实验二  演示电场线的形象

1、         点电荷电场线

点电荷电场线是球形发散的。实验仪器是图6所示的有很多验电羽的金属杆。

将仪器连接到起电机的一极上就可以演示呈发散性。

图 6  验电羽

2、         异号电荷电场线将两个验电羽分别接两个电极即可演示形状为中间连通如图7。

 图 3  异号电荷电场线

3、         同号电荷电场线

同号电荷电场线同异号电荷电场线的方法。结果与理论一致。

实验三  静电平衡时导体上电荷的分布

1、         导体电荷分布于外表面

由于导体内有带电粒子导体内有场强就会引起带电粒子的移动最终导致导体内部场强为零电荷只分布于外表面。

用一个球缺导体和验电器即可完成。

将球缺导体与带电的橡胶棒多次连接 使球缺导体带电用与验电器连接的导线接触球缺导的外表面和内表面观察发现外表面有示数但内表面电荷分布面没有所以导体电荷分布于外表面。

2、         电荷分布与曲率有关

电荷分布于曲率有光曲率越大电荷分布越多。

用尖形布电器和验电器演示电荷分布与曲率有关。将尖形布电器带电哟哦那个不带电的金属棒接触布电器的柱面和尖端即可发现尖端验电器张开的角度比柱面大。如图九

     图9  电荷分布与曲率关系

3、         尖端放电

因为尖端所带的电荷很多所以尖端会放电。

用起电机给尖形布电器带电将蜡烛放于前方即可发现蜡烛火焰似乎被风吹向一边是尖端放电引起的风吹动蜡烛火焰的。如图10

     

图 4  尖端放电

4、         导体表面是等电势面

导体的表面有自由电荷如果表面不是等电势的自由电荷就会移动所以导体表面是等电势面。

实验方法是让尖形布电器带电用一个导线将静电计和尖形布电器连接在一起在布电器表面移动金属棒可以发现静电计的示数没有发生变化可见

导体表面是等电势面。

图11  导体表面是等电势面演示

实验四  静电屏蔽

导体处于平衡状态时导体内部电场为零。因为如果有电场导体内的自由电子就会移动最终结果是使得导体内的电场为零此即静电屏蔽。

演示实验时金属网的内不和表面各接一个验电羽发现外面的验电羽张开而里面的没有张开如图12。所以导体内部的电场为零即发生静电屏蔽。

 图12 静电屏蔽

实验五 平行板电容器的电容平行板电容器的公式为

C为平行板电容器的电容为介电常数S为平行板的面积d为平行板之间的距离Q为平行板电容器的带电量U为平行板的电势差。

实验装置

 图 5  平行板电容器的电容研究

1、         带电量Q与电势差U的关系

保持S与d不变给1板增加电荷静电计示数增加可见Q变大U也变大。

2、         C与d的关系

保持S、Q不变减少两板的距离静电计示数增加可见U变小即C变大即C随d的减小而变大。

3、         C与S的关系

保持d、Q不变减少两板的相对面积静电计示数减少可见U变大即

C变小即C随d的减小而减少。

4、         C与 的关系

保持S、Q、d不变向两板间插入绝缘板静电计示数减少即C变大。因此C随 的增大而增大。

实验六 静电除尘

演示装置如图14实验时点燃一根香即可形成很大的微尘。接通静电微尘很快消失。

可见静电除尘非常有效。

 图 6  静电除尘