用电流场模拟静电场
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用电流场模拟静电场
1.实验目的
(1)掌握用模拟法测绘静电场的物理方法;
(2)通过对不同形状电极形成的电流场的研究,加深对静电场的感性认识。
2.实验仪器
静电场描绘装置(电极架、同步探针),待测电极(仿同轴电缆电极和仿长直平行带电线电极)、变压器、滑线式变阻器、晶体管交流毫伏表
3.实验原理
稳恒电流场和静电场本来是两种性质不同的场,但由于这两种场都可用电势和电场来描述,且遵从的规律在形式上也相似,在实验中,只要满足一定的条件,就可用稳恒电流场来模拟静电场。
以模拟长同轴电缆内部的电场分布为例,如图所示。
设“无限长”同轴电缆的内外金属圆柱面的半径分别是R 1、R 2,电荷线密度分别为+λ、-λ,柱面间的电容率为ε,取外柱面为零电势,由电磁学知识可知在两柱面间某一点r 处(R 1≤r ≤R 2)的电势为
r
R πλ
dr r πλd r V R r
R r
2ln 22)(22εε=⋅=⋅=⎰
⎰r E (7-1) 若内外柱面间的电势差为V 0,则
1
20ln 2R R πλ
V ε=
(7-2) 则(7-1)式可写成
r R
R R V r V 21
2
0ln ln )(=
(7-3) 若在图的两金属柱面间加一恒定电压V 0,并同样设外柱面的电势为零,但将其中的电介质替换成导电媒质(本实验中为杂质水),则导电媒质中将维系一种电场,在这种电场的作用下,导电媒质中的载流子作定向运动形成稳恒电流场。
设导电媒质的电阻率为ρ,圆柱导体的长度为h ,在r 处取一薄圆柱壳,径向厚度为d r ,则该薄圆柱壳的径向电阻d R 为
rh
dr
S dr d πρ
=ρ
=2R (7-4) 在半径r 和R 2之间导体的径向电阻R(r )为
r
R h dR r R r
2ln 2)(R 2
πρ
=
=
⎰
(7-5) 若R 1和R 2之间导体的总径向电阻为R 0,则
1
20ln 2R R R h πρ
=
(7-6)
将(7-6)式代入(7-5)式,(7-5)式可化为
1
2
2
ln ln
R )(R R R r R r = (7-7) r 处的电势即为r 处与外金属柱面的电势差,并注意)(R 0r I V ⋅=即
r R
R R V I r V 21
2
0ln ln R(r))(=
⋅= (7-8) 比较(7-3)式和(7-8)式,可知,静电场中的电势分布与稳恒电流场中的电势分布非常相似,若在实验中能精确地测出电流场中的电势分布,则该相同形状电极间的静电场的电势分布也随即可知。
由式(7-8)可知,两柱面间的电势分布只与r 有关,即其内部等位线形状是以电极轴心为中心的一组同心圆。
在具体实验时,可通过等势点的测绘描出等势线并量出其半径
r ,代入式(7-8)就可以计算出该等势线处电势的理论值V 理,将其与实验值V 进行比较,并
计算出百分差。
测绘装置及电路
在本实验中,我们用静电场描迹仪来测量电流场中各点电位,采用杂质水作为导电媒质。
但由于在直流电压下,杂质水容易极化,从而会改变径向电阻的分布,特别是会在电极附近产生较大的压降,引起测量误差增大。
故在实验中我们将加在两电极之间的直流电压改用低频交流电压(用低压市电替代)。
这样做还鉴于另一原因,即低频交流电场与直流电场具有相似性,只不过此时的
U 0为交流电压的有效值。
测绘
电路如图7-3所示。
静电场描绘仪(包括水槽
电极、同步探针等)如图7-4所示,采
用双层式结构,上层放记录纸,下层装
水槽电极。
电极已直接固定在水槽中,并将电极引线接出至外接线柱上。
民用自来水其实就是杂质水,可作为导电媒质。
实验时,将自来水倒入水槽里(淹没电极即可),调节滑线变阻器,在电极之间加上10V 交流电压(从晶体管交流毫伏表读出)就可进行实验。
在水槽电
极和记录纸上方各有一探针,通过弹簧片探针臂把两探针固定在同一手柄座上,两探针始终保持在同一铅垂线上。
这样,移动手柄座时,可保证两探针的运动轨迹完全相同。
当水槽内的探针找到待测点后,
图7-3 测绘电路图
上弹簧片及探针
图7-4 静电场描绘仪结构图
按下记录纸上方的探针,扎孔为记,将同电位的点连成光滑的曲线即为与该电位对应的等位线。
4.实验内容及步骤
(1) 定量研究
○1将自来水加入仿长同轴电缆电极水槽内,平稳地放入静电场描绘仪下层,按图7-3所示的原理图接线。
○2将描绘仪下层的金属探针紧贴在水槽中心的柱形电极,调节滑线变阻器,使得晶体管交流毫伏表的读数为10V,此时,可认为加在内圆柱面的外侧与外圆柱面的内侧的电位差为10伏。
○3在内侧电极附近,在记录纸上打出对应6.0V等位线的各等位点。
注意,扎孔时应保持等间距,孔间距一般为0.5厘米左右。
按此方法,依次打出对应5V、4V、3V、2V和1V各等位线的等位点。
○4取下记录纸,用光滑曲线描出各等位线,并根据电场线和等位线的正交关系画出模拟的电场线。
○5根据各等位线位置,量得各等位线到中心的距离,即各等位线的半径r,求出理论值,并与实验值比较,计算百分差,填入表7-1。
U0 =_____10____(V),R1 =___0.5_____(cm), R2 =_____5_____(cm)表7-1. 仿同轴电缆等位线半径及其电位理论值计算
(2) 定性研究
将仿长直平行带电线电极水槽替换仿同轴电缆电极水槽,重复上述步骤○1~○4。
(注:步骤○3中分别打出8.0V、7.0V、6.0V、5.0V、4.0V、3.0V、2.0V等位线)
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