用电流场模拟静电场
用电流场模拟静电场实验报告空
用电流场模拟静电场实验报告空
静电场是物理学中重要的基础概念之一,是指物体表面的电荷分布所产生的电场。
在静电学领域中,研究静电场的性质和行为是非常重要的。
电荷在静电场中的运动和排斥作用是静电学的基本现象之一。
为了模拟静电场的行为和性质,我们可以使用电流场模拟技术。
本次实验使用电流场模拟技术来模拟静电场的行为。
实验设备包括电流源、磁场感应线圈、实验平台等。
首先,我们在实验平台上放置了一个电荷体,然后将电流源连接到磁场感应线圈上。
当电流通过线圈时,会产生一个磁场。
这个磁场会对电荷体产生力,并使其受到电荷排斥作用。
我们可以使用电流场模拟软件来观察静电场的行为。
软件提供了多种工具,可以帮助我们观察电荷的运动轨迹和电场的分布。
在实验过程中,我们可以通过调整电流源的电流强度和方向来控制磁场的强度和方向。
这样可以观察到电荷体在不同的磁场下的运动轨迹和受力情况。
在实验中,我们可以使用电荷体模拟静电荷分布。
我们可以将不同数量和分布方式的电荷体放置在实验平台上,然后通过控制电流源的电流来模拟不同的磁场环境。
在观察电荷的运动轨迹时,我们可以发现电荷体在受到电场作用下的受力情况。
一些电荷体会相互排斥并推动彼此,而一些电荷体则会被静止在原地。
这些现象都可以归因于电场的作用。
总之,电流场模拟技术是研究静电场行为和性质的一种有效手段。
通过模拟技术,我们可以更好地理解静电场的性质和行为,并预测不同电荷体之间的运动情况。
这对于静电学领域的研究和应用都具有重要的意义。
实验八用恒定电流场模拟静电场
实验八用恒定电流场模拟静电场
一、实验目的
本实验的目的是利用恒定电流场模拟静电场,由而探究静电场特性及其影响力。
二、实验原理
本实验利用恒定电流场模拟静电场,即在已确定的空间上设置恒定电流场,模拟静电场的形成。
静电场实际上是由固定电荷内部产生的静态电场,由外部静电力引起,其方向垂直于电荷分布。
随着距离的增加,静电场在空间上的强度会逐渐减弱,最终在某个距离外消失。
三、实验准备
本实验准备的主要设备包括:示波器、恒定电流源、特技电极、石英板以及相关仪器仪表等。
四、实验过程
(1)设定实验条件:首先在示波器上设置参数,以满足实验要求;接着将恒定电流源的输出电压调节至一定值,同时将接地端与石英板的一面相连,将恒定电流源的输出端与石英板的另一面相连,这样设定可使得石英板上形成恒定电流场;最后,将特技电极放置于石英板的表面,以检测石英板上的电势变化。
(2)采集数据:示波器将侦测到的电势变化投入图形拟合程序,根据线性规律拟合出基本分布储存,计算出所需数据,从而确定恒定电流场半径和静电场实验强度。
五、实验总结
本实验利用恒定电流场模拟静电场,主要依靠示波器侦测出电势变化,然后根据线性规律将电势变化拟合出其基本构型,从而计算出所需数据。
本实验给予了对静电场的大致把握,观察到静电场的传播特性,有助于对静电场未来的深入研究。
用电流场模拟静电场
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rR πλdr r πλd r V R rR r2ln 22)(22εε=⋅=⋅=⎰⎰r E (7-1) 若内外柱面间的电势差为V 0,则120ln 2R R πλV ε=(7-2) 则(7-1)式可写成r RR R V r V 2120ln 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rhdrS 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rR h dR r R r2ln 2)(R 2πρ==⎰(7-5) 若R 1和R 2之间导体的总径向电阻为R 0,则120ln 2R R R h πρ=(7-6)将(7-6)式代入(7-5)式,(7-5)式可化为122ln lnR )(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 RR R V I r V 2120ln 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。
3.用电流场模拟静电场
用电流场模拟静电场
武汉科技学院理学院 物理实验教学中心
【预习重点】
1.用稳恒电流场模拟法测绘静电场的原理和方法。 2. 同轴柱面的电场分布情况。
【实验目的】
1.学习用电流场模拟静电场的概念和方法。 2.加深对电场强度和电力线、电位概念的理解。 3.测绘同轴圆柱体和两平行导线的电场分布情况。
Ua
ln(rb ln(rb
r) ra )
则稳恒电流场Er′为
Er
dUr dr
Ua ln rb
1 r
ra
显而易见,稳恒电流场Er′与静电场E的分布也是相同的
Er
dUr dr
dUr dr
E
三、模拟条件
用稳恒电流场模拟静电场的条件可以归纳为下列三点:
(1)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; (2)稳恒电流场中的导电介质应是不良导体且电导率 分布均匀,并满足σ电极>>σ导电质才能保证电流场中的电 极(良导体)的表面也近似是一个等位面; (3)模拟所用电极系统与被模拟静电场的边界条件相 同。
同轴圆柱体电场分布
V0=10.00V
Vr(v) 0 Vr/V0(v) r测(cm)
lnr测
r理(cm)
|r测-r理|(cm)
Er(%)
0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00
【注意事项】
• 测量过程中要保持两电极间的电压不变。 • 实验时上下探针应保持在同一铅垂线上,
否则会使图形失真。 • 记录纸应保持平整,测量时不能移动。
J = E
二、模拟长同轴圆柱形电缆的静电场
以同轴圆柱形电 缆的静电场和相 应的模拟场—— 稳恒电流场来讨 论这种等效性。
电流场模拟静电场实验原理的简捷证明
电流场模拟静电场实验原理的简捷证明1. 引言1.1 简介电流场模拟静电场实验原理是一种常见的实验方法,通过在电流场中模拟静电场来研究静电场的特性和行为。
在这个实验中,我们会利用电流场的特性来模拟静电场,并通过实验验证静电场的一些基本原理。
静电场是指在没有电荷流动的情况下,由电荷所形成的场。
静电场的特点是不随时间变化,因此可以用电场强度和电势来描述。
电流场则是指电荷在导体或电路中流动时形成的电场。
通过在电流场中模拟静电场,我们可以更好地理解静电场的行为。
1.2 问题提出静电场在物理学中起着至关重要的作用,但是如何有效地模拟静电场并进行实验验证,一直是科研工作者们所关注的问题。
传统上,人们通过在实验室中使用静电发生器或者静电电荷等方式来产生静电场,但这些方法存在一定的局限性和不足之处。
近年来,一种利用电流场来模拟静电场的方法逐渐受到重视。
电流场模拟静电场实验原理的提出,旨在通过在电流场中产生类似于静电场的效果,从而实现对静电场的模拟和研究。
这种方法不仅可以减少实验装置的复杂性和成本,还可以实现更精准和可控的实验条件,有助于深入理解静电场的基本特性。
通过对电流场模拟静电场实验原理进行研究和验证,可以为静电场的研究提供新的思路和方法。
本文将探讨电流场和静电场的基本概念,并详细介绍电流场模拟静电场实验原理的理论推导和实验步骤,最终分析实验结果并展望该方法未来的应用前景。
【2000字】2. 正文2.1 电流场简介电流场是描述电流在空间中的分布和性质的一种物理场。
在电路理论中,电流场是一种重要的概念,它可以帮助我们理解电流如何在导体中传播和分布。
电流场的基本特征包括电流密度、电场强度和导体的电阻等。
电流密度是描述单位面积或单位体积内的电流的量,通常用J表示,其方向与电流的方向一致。
电场强度是描述电场的强度和方向的物理量,通常用E表示,它与电流密度和导体的电阻之间存在一定的关系。
在实际电路中,往往会遇到静电场的问题。
实验报告4用电流场模拟静电场样本
用电流场模拟静电场一、实验目的1.学习用模拟方法来测绘具有相同数学形式的物理场。
2.描绘出分布曲线及场量的分布特点。
3.加深对各物理场概念的理解。
4.初步学会用模拟法测量和研究二维静电场。
二、实验原理1.用稳恒电流场模拟静电场静电场是真空中静止的电荷产生的电场,静电场用空间各点的电场强度E 和电位V 来描述。
使用等位面和电场线的概念可以使电场的描述形象化。
直接测量静电场是很困难的,而稳恒电流场与静电场在是本质上不同的,但在一定条件下导电介质中稳恒电流场与静电场的描述具有类似的数学方程,因而可以用稳恒电流场来模拟静电场。
对静电场,在无源区域内有:⎰=•sdS E 0,⎰=•ldl E 0对稳恒电流场,在无源区域内有:⎰=•sdS j 0,⎰=•ldL j 02.同轴电缆的电场分布及同轴圆柱面电极间的电流分布.在真空中有一个半径为r 1=a 的长圆柱体A (A 是导体)和一个半径为 r 2 =b 的长圆筒导体B ,它们中心轴重合,带等量异号电荷,则在两个电场间产生静电场。
由静电场知识可得距轴r 处的电位为abr bU U r lnln= 则r a b U E 1ln 0⋅=由稳恒电流知识可得abr bU U r lnln0=' r a b U E r 1ln 0⋅='三、实验仪器GVZ-3型导电微晶静电场描绘仪(包括导电微晶,双层固定支架,同步探针等) 四、实验内容1. 连接电路,将电压校正为.2. 从1V 开始,平移探针,由导电线微晶上方的探针找到等位点后,按一下记录纸上方的探针,测出一系列等位点,用相同方法分别描绘出四种不同形状电极的等位线图(7~8条)。
3. 描绘同同轴电缆的静电场分布。
以每条等位线上各点到原点的平均距离r 为半径画出等位线的同心圆簇。
现出电场线,指出电场强度方向,得到电场分布图。
4. 描绘同其它三种不同形状电极的静电场分布。
五、注意事项1. 测量过程中要保持两电极间的电压不变。
电流场模拟静电场的条件
电流场模拟静电场的条件静电场是指在没有电流流动的情况下,由于电荷分布不均匀而形成的一种电场。
而电流场是指电荷在导体中产生的电流所形成的电场。
虽然静电场和电流场是两种不同的电场形式,但是我们可以利用电流场来模拟静电场的情况。
要模拟静电场,我们需要一个导体。
导体是指电荷能够自由移动的物质,如金属。
通过在导体上施加电流,我们可以在导体表面产生一个电场。
这个电场具有类似于静电场的特性,因为电流会使导体表面的电荷分布不均匀。
我们需要一个合适的电流源。
电流源可以是电池或者其他电源设备,用来提供电流。
通过调节电流源的电流大小,我们可以调节模拟静电场的强度。
在模拟静电场时,我们需要注意一些条件。
首先,导体表面要是光滑的,并且没有任何电荷积累的地方。
这是因为在静电场中,电荷会在导体表面聚集,形成电场线。
如果导体表面不光滑或者有其他电荷积累的地方,会影响到模拟的效果。
我们还需要注意导体的形状和大小。
导体的形状和大小会影响到模拟静电场的电场分布。
一般来说,导体越大,模拟的静电场范围越广。
而导体的形状则会决定电场的分布情况。
例如,对于一个球形导体,电场是均匀分布的。
而对于一个带有边角的导体,电场分布就会不均匀。
模拟静电场时还要考虑导体的接地情况。
接地是指将导体与地面相连接,使导体上的电荷能够自由流动到地面上。
在模拟静电场时,接地可以起到平衡电荷的作用,使导体上的电荷分布更加均匀。
总结起来,要使用电流场模拟静电场,我们需要一个导体和一个合适的电流源。
导体的表面要光滑,没有电荷积累的地方。
导体的形状和大小会影响到模拟的效果,而导体的接地情况可以起到平衡电荷的作用。
通过调节电流源的电流大小和导体的形状大小,我们可以模拟出不同强度和分布情况的静电场。
这种方法可以用于教学实验或者科学研究中,帮助人们更好地理解和研究静电场的特性和行为。
用电流场模拟静电场 - 副本
阜阳师范学院大学物理实验报告
所以只要模拟与轴线垂直的横截面即可。
2.恒定电流场模拟静电场的实验条件是什么?
实验条件首先要求不良导体在两极间区域内其电导率是常数,并保持其厚度不变,其次要量电势的仪表中无电流通过。
讨论:为什么不良导体内的电场分布与真空中的静电场分布相同?
因为在不良导体内没有电流通过时,单位时间流出体积元的电荷被流入的同号电荷所替代,体积元内成电中性。
换言之,真空中的静电场是由电极上的电荷产生的,而有恒定电流通过的不良导体中,电场也是由电极上是电荷产生的。
不同的是静电场中电极上的电荷静止不动,而恒定电流场中的电荷达到动态平横,呈点中性。
因此哦,两种状况下的电场分布是相同的。
注:
1、所有电子版实验报告必须使用统一摸版,内容按
统一规定编辑。
否则不与受理。
2、学院、班、姓名等用宋体(正文)五号,不要
加粗。
3、实验名称用宋体(正文)四号,不要加粗。
4、其余项目统一用宋体(正文)五号,不要加粗。
5、报告内容中出现英文字母或英文单词统一用
Times New Romar五号,不要加粗。
6、报告内容公式统一用Word公式编辑器编写。
公式3.0)。
用电流场模拟静电场实验
实验 用电流场模拟静电场专业___________________ 学号___________________ 姓名___________________一、预习要点1.了解静电场的和电场线的基本特点,电位线与电场线的关系;2.了解模拟法测绘静电场的原理与方法;3.在模拟静电场时,对模拟电极和模拟介质各有什么要求;4.做此实验要自备画图白纸或坐标纸;5.在课前写好预习报告,上课时务必将预习报告和原始数据表格一并带来,否则扣分。
二、实验内容、步骤及注意事项(1)用GVZ-3型静电场描绘实验仪模拟静电场。
由电磁学理论可知,场强E 在数值上等于电势梯度,方向指向电势降落方向。
考虑到E 是矢量,而电势U 是标量,从实验测量来讲,测定电势比测定场强容易实现,所以可先测绘等势面(线),然后根据电场线与等势面(线)正交的原理,画出电场线,这样就可由等势面(线)间距确定电场线的疏密和指向,将抽象的电场形象的反映出来。
(2)描绘带电长直同轴圆柱面的等势面及电场线(1) 按要求连接好电路,检查无误后接通电源;(2) 将坐标纸固定在静电场描迹仪上层载纸扳并用磁条压好,探针的下针放入电极内,上针放在坐标纸上准备打孔;(实验前,先用压纸磁条固定好所用白字或坐标纸,然后用同步探针定好电极位置,并用铅笔描绘出电极形式)(3) 将电源输出电压调整为10.00V ,再将输出与测量开关转到测量端;(4) 将探针的下针对准内电极中心,上针在坐标纸上打孔;确定中心点电压a U 的数值;(5) 以该点为中心等角度地做八条辐射线,用探针和记录针沿着上下左右四个方向打孔分别测量a r 和b r 的数值;(6) 以该点为中心等角度地做八条辐射线,用探针沿着八条辐射线从里向外移动找到各种不同数值的电势并打孔(例如6.00V 、4.50V 、3.00V 、1.50V 的点);(7) 取下坐标纸,用直尺测出a r 和b r 的值及各等势点的半径记入表1和表2中;(8) 在作业中描画出带电长直同轴圆柱面的等势线,根据等势线与电场线相互正交的特点,在等势线图上添置电场线,成为一张完整的两无限长带等量异号电荷同轴圆柱面的静电场分布图。
实验八用电流场模拟静电场
实验八 用电流场模拟静电场一、实验目的1、学习用模拟方法来测绘具有相同数学形式的物理场2、描绘出分布曲线及场量的分布特点3、加深对各物理场概念的理解4、初步学会用模拟法测量和研究二维静电场二、实验仪器电压表、GVZ-3型导电微晶静电场描绘仪、直流稳压电源(10V ,1A)GVZ-3型静电场描绘实验仪(包括导电微晶、双层固定支架、同步探针等),支架采用双层式结构,上层放记录纸,下层放导电微晶。
电极已直接制作在导电微晶上,并将电极引线接出到外接线柱上,电极间制作有导电率远小于电极且各向均匀的导电介质。
接通直流电源(10V )就可以进行实验。
在导电微晶和记录纸上方各有一探针,通过金属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。
移动手柄座时,可保证两探针的运动轨迹是一样的。
由导电微晶上方的探针找到待测点后,按一下记录纸上方的探针,在记录纸上留下一个对应的标记。
移动同步探针在导电微晶上找出若干电位相同的点,由此即可描绘出等位线。
三、实验原理(以模拟长同轴圆柱形电缆的静电场为例)稳恒电流场与静电场是两种不同性质的场,但是它们两者在一定条件下具有相似的空间分布,即两种场遵守规律在形式上相似,都可以引入电位U ,电场强度E =-▽U ,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0=∙⎰E S0=∙⎰CE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⎰=∙Sj 0 0=∙⎰j l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。
在模拟的条件上,要保证电极形状一定,电极电位不变,空间介质均匀,在任何一个考察点,均应有“U 稳恒=U静电”或“E 稳恒=E 静电”。
下面具体本实验来讨论这种等效性。
1、 同轴电缆及其静电场分布如图1(a )所示,在真空中有一半径为r a 的长圆柱形导体A 和一内半径为r b 的长圆筒形导体B ,它们同轴放置,分别带等量异号电荷。
用电流场模拟静电场实验报告
用电流场模拟静电场实验报告一、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势概念的理解。
3、描绘出给定电极的静电场分布。
二、实验原理静电场是由静止电荷所激发的,一般情况下,带电体的电荷量及分布比较复杂,直接测量静电场的分布比较困难。
但静电场和稳恒电流场都遵守高斯定理和环路定理,对于静电场,电场强度的环流为零;对于稳恒电流场,电流密度的环流也为零。
因此,这两种场在一定条件下具有相似的空间分布,只要保证电流场中的电极形状与静电场中的带电体形状相同,边界条件相同,并且电流场中的导电介质是均匀的,电流场的分布就与静电场的分布相似。
所以,可以用稳恒电流场来模拟静电场进行测量。
三、实验仪器静电场描绘仪、直流稳压电源、电压表、坐标纸、金属电极(同轴圆柱形电极、平行板电极、聚焦电极)、连接导线等。
四、实验内容1、连接电路将直流稳压电源的输出端与静电场描绘仪的输入端相连,注意正负极的连接。
2、选择电极本次实验分别选用了同轴圆柱形电极、平行板电极和聚焦电极进行测量。
3、测量电势在电极间放入坐标纸,用探针在坐标纸上选取若干等间距的点,测量这些点的电势值,并记录下来。
4、数据处理根据测量得到的数据,在坐标纸上描绘出等势线,然后根据等势线描绘出电场线,从而得到静电场的分布情况。
五、实验步骤1、熟悉静电场描绘仪的使用方法,了解各个旋钮和开关的功能。
2、按照实验电路图连接好电路,检查电路连接是否正确,确保无误后打开直流稳压电源。
3、选择同轴圆柱形电极进行实验。
先在电极间铺上坐标纸,将探针与电压表相连,移动探针,在坐标纸上选取一系列等间距的点,测量这些点的电势值。
测量时,探针应与坐标纸垂直,且与电极表面保持良好接触。
4、记录测量得到的数据,包括每个点的坐标和对应的电势值。
5、更换平行板电极,重复步骤 3 和 4,测量平行板电极间的电势分布。
6、再更换聚焦电极,再次重复步骤 3 和 4,测量聚焦电极的电势分布。
实验十一 用电流场模拟静电场
实验十一用电流场模拟静电场在工程技术中,经常会遇到一些不易被测试条件不足的物理量,这时,往往采用模拟法来进行测量。
如对飞行器的性能进行测试,利用运动的相对性原理,把飞行器固定在风洞内进行鼓风,根据模拟飞行器的飞行来测试其有关性能。
模拟法是科学研究的一种方法。
它不直接研究物理现象或过程的本身,而用与这些现象或过程相似的模型和煦来进行研究。
例如用振动台模拟地震对工程结构物强度的影响,用电流场模拟水坝渗流,用光测弹性法模拟工程构件内应力分布等。
以上的模拟称为物理模拟,它们在模拟过程中保持物理现象或过程的本质不变,本实验介绍另一种模拟,称为数学模拟,它是指两个不同本质的物理现象或过程可以用类似的数学方程来描述的模拟。
模拟法本本质上是用一种易于实现,便于测量的物理状态或过程,来模拟不易实现、不便测量的状态或过程,只要这两种状态或过程有一一对应的两组物理量,并且它们所满足的数学形式基本相同。
静电场传递一些带电体对另一些带电体的作用,它是物质存在的一种形式。
一般说来,静电测量要比直流电测量复杂。
尽管稳恒电流场与静电场是本质上不同的物理现象。
但是在一定条件下导电介质中稳恒电流场与静电场的描述具有类似的数学方程,因而可以用稳恒电流场来模拟静电场。
在科学实验中,我们常常需要了解各种电极或带电体周围的静电场。
但在多数情况下很难求出电场分布的解析,大都要采用实验的方法来确定静电场的分布。
本实验仪就是采用模拟法来描绘静电场,即用稳恒电流场模拟描绘静电场。
仿制所要研究的电极,用模拟实验方法研究静电场分布,在电子管、示波管、显像管和电子显微镜等电子束器件的设计和研究中具有实用意义。
一、实验目的1、了解模拟法描绘静电场的理论依据。
2、学会用模拟法研究静电场、在导电纸上描绘静电场分布的方法。
3、描绘几种静电场的等位线、根据等位线画出电力线。
4、加深对静电场、稳恒电流场的了解。
二、实验原理模拟法描绘静电场的理论依据是:带电体在其周围空间所产生的电场,可用电场强度E 和电位U的空间分布来描述。
用电流场模拟静电场实验报告(空)
用电流场模拟静电场实验报告(空)
本实验旨在通过电流场模拟静电场,探究静电场的基本特性和规律。
实验步骤:
1.搭建电流场模型:在实验采用的芯片上,放置多个金属针,针与针之间保持均等的间隔。
2.调整电压大小:接通电源,调整电压大小,使得金属针上出现能量线。
3.测量电势差:在芯片上不同位置上分别进行电势差测量,记录数据。
4.绘制电势差图:利用所测得到的数据绘制出电势差图。
5.观察电场强度分布:根据电势差图,观察电场强度分布情况,探究不同形状、大小的金属物体对电场分布的影响。
实验结果:
通过实验,我们得到了一些关于静电场的基本特性和规律:
1.电势差与电场强度成反比例关系,即电场越强,电势差越小。
2.在金属物体表面,电场强度为0,即静电场不会穿过金层物体,只会沿着物体表面流动。
3.金属物体的大小、形状对静电场分布有着明显的影响。
静电场是一种无形的能量场,它的性质和规律都可以通过电流场模拟得到,我们能够通过调整电压大小、测量电势差等方法,观察到静电场的强度分布情况,探究不同形状、大小的金属物体对静电场分布的影响。
这一实验结果可以为学者研究静电场的性质和应用提供有益的参考。
大学物理实验 实验7 电流场模拟静电场
实验背景
模拟法 模拟法是一种间接的测量方法。 模拟法是指不直接研究某物理现象或物理过程本 身,而是用与该物理现象或过程相似的模型来进行研 究的一种方法。 模拟法可分为物理模拟和数学模拟。如用稳恒电 流场来模拟静电场就是数学模拟。
பைடு நூலகம்
实验目的
1.掌握用模拟法描述静电场的原理和方法。 2. 加深对静电场的理解。 3. 了解模拟法的适用条件。
1. 在测量过程中伏特表的量程要始终一致。
2. 水槽电极放置时位置要端正、水平,避免等位线 失真。 3. 实验结束后,将水槽中的水倒掉并倒扣放免电极 氧化生锈。
思考题
1.模拟法的适用条件有哪些? 2.用稳恒电流场模拟静电场的实验条件是什么?
实验仪器
静电场描绘仪 电极槽 稳压电源
伏特表
开关
滑线变阻器和若干导线
静电场描绘仪
5
1. 电极架上层及 记录纸 2.支柱 3.电极架下层 4.水槽 5.上下同步探针
实验原理
静电场模拟原理图 均匀导体中的稳恒电流场与真空(或空气)中静电
场有相似的物理规律.可以用稳恒电流场来模拟静电场。
模拟需满足条件: 1.导电体应选用电阻分布均匀的各向同性材料。 2.电极材料的电导率必须远大于导电体的电导率。 3.电极形状应保证电流场分布与被模拟的静电场 分布相同。
实验内容与步骤
描绘同轴圆柱电极的电场
1. 连接好实验电路。 2. 在电解槽中加入水。
3. 调节稳压电源的电压为15V左右。
4. 在静电场描绘仪的上层放一张方格纸(或白 纸), 用夹子固定好。 5. 移动探针从内到外依次描出等势点,每组等 势点15 个以上,等势线间的电势间隔为1V或0.5V。
注意事项
电流场模拟静电场总结
电流场模拟静电场总结引言静电场是物理学中的一个重要概念,涉及电荷、电场、电势等知识,是电磁学的基础。
在静电场中,没有电流流动,电荷仅以静止的方式存在并产生电场。
电流场模拟静电场是一种用电流来模拟静电场的方法,通过控制电流的分布和流动来模拟静电场的分布和性质。
本文将对电流场模拟静电场进行总结和分析。
静电场的基本概念静电场是指在没有时间变化的情况下,电荷分布在空间中产生的电场。
在静电场中,存在电势能和电势,电势能与电荷的电量和位置有关,电势则是电势能与电荷单位电量之比。
静电场的作用方式是通过电场力来实现的,电场力与空间中的电荷和电场强度有关。
电流场模拟静电场的原理电流场模拟静电场的基本原理是利用电流的分布和流动来模拟静电场的分布和性质。
电流可以看作是电荷的流动,因此通过控制电荷的流动可以实现对静电场的模拟。
在电流场模拟静电场中,需要考虑的关键因素包括电流的强度、方向、电阻和导体的形状等。
电流场模拟静电场的方法1. 电流源模拟电流源是产生电流的装置,可以通过调节电流源的参数来模拟静电场中的电场分布。
电流源的参数包括电流强度、方向和分布等。
通过调节电流源的电流强度和方向,可以模拟静电场中的电场强度和方向。
通过改变电流源的分布,可以模拟静电场中的电场分布。
2. 电阻模拟电阻用来限制电流的流动,通过调节电阻的大小,可以模拟静电场中的电荷密度分布。
电阻越大,电流流动越受限,电荷积累的程度也会增加,从而模拟静电场中电荷分布的变化。
在电流场模拟静电场中,可以使用不同材料和形状的电阻来实现对静电场的模拟。
3. 导体模拟导体是一种具有良好导电性能的物质,可以通过调节导体的形状和位置来模拟静电场中的电势分布。
在电流场模拟静电场中,可以使用不同形状和大小的导体,在空间中建立电势分布,以模拟静电场中的电势分布。
导体的形状和位置对电势分布具有重要影响,通过合理设计导体的形状和位置,可以实现对静电场的精确模拟。
电流场模拟静电场的应用电流场模拟静电场在物理学和工程领域有着广泛的应用。
28用电流场模拟静电场25
实验25 用电流场模拟静电场【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。
【实验原理】在一些科学研究和生产实践中,往往需要了解带电体周围静电场的分布情况。
一般来说带电体的形状比较复杂,无论用理论方法进行计算还是用实验手段直接研究或测绘静电场通常都是很困难的。
因为仪表(或其探测头)放入静电场,总要使被测场原有分布状态发生畸变,而且除静电式仪表之外的一般磁电式仪表不能用于静电场的直接测量,因为静电场中不会有电流流过,对这些仪表不起作用。
所以,人们常用“模拟法”间接测绘静电场的分布。
1.模拟的理论依据模拟法在科学实验中有着极其广泛的应用,其本质是用一种易于实现、便于测量的物理状态或过程的研究去代替另一种不易实现、不便测量的状态或过程的研究。
为了克服直接测量静电场的困难,可以仿造一个与待测静电场分布完全一样的电流场,用容易直接测量的电流场去模拟静电场。
静电场与稳恒电流场本是两种不同的场,但是它们两者之间在一定条件下具有相似的空间分布,即两种场遵守的规律在形式上相似。
它们都可以引入电位,而且电场强度U U E −∇=,并且都遵守高斯定理。
对静电场,电场强度在无源区域内满足以下积分关系0=⋅∫s ds E 0=⋅∫ldl E而对于稳恒电流场,电流密度矢量在无源区域内也满足类似的积分关系 J 0=⋅∫s ds J 0=⋅∫ldl J由此可见,E 和在各自区域中满足同样的数学规律。
若稳恒电流场空间内均匀地充满了电导率为J σ的不良导体,不良导体内的电场强度E ′与电流密度矢量之间遵循欧姆定律J E J ′=σ因而,E 和E ′在各自的区域中也满足同样的数学规律。
在相同边界条件下,由电动力学的理论可以严格证明:像这样具有相同边界条件的相同方程,其解也相同。
因此,可以用稳恒电流场来模拟静电场。
也就是说静电场的电力线和等势线与稳恒电流场的电流密度矢量和等位线具有相似的分布,所以测定出稳恒电流场的电位分布也就求得了与它相似的静电场的电场分布。
用电流场模拟静电场实验报告
用电流场模拟静电场实验报告用电流场模拟静电场实验报告引言:静电场是物理学中一个重要的概念,它描述了带电物体周围的电场分布。
为了更好地理解静电场的性质和行为,本实验采用了电流场模拟静电场的方法,通过模拟电流的流动来观察电场的分布和性质。
本报告将详细介绍实验的目的、原理、实验装置和实验结果,并对实验结果进行分析和讨论。
一、实验目的本实验的目的是通过电流场模拟静电场,探究静电场的分布特性,进一步加深对静电场的理解,并通过实验结果验证理论推导。
二、实验原理静电场是由带电物体周围的电荷引起的,而电流场是由电荷的流动引起的。
在本实验中,我们利用电流场来模拟静电场,通过模拟电流的流动来观察电场的分布和性质。
根据安培定律,电流通过导线时会产生磁场,而根据法拉第电磁感应定律,变化的磁场会产生感应电动势。
在实验中,我们使用了一个带有导线的电流源,通过改变导线的位置和形状,可以改变电流的分布和方向,从而模拟不同形状和分布的静电场。
三、实验装置本实验所需的装置包括电流源、导线、电流表、电压表和示波器。
电流源用于提供稳定的电流,导线用于传输电流。
电流表和电压表用于测量电流和电压的大小。
示波器用于观察电流的波形和变化。
四、实验步骤1. 将电流源连接到导线上,调节电流源的电流大小和方向。
2. 将导线放置在所需的位置和形状,观察电流的分布和方向。
3. 使用电流表和电压表测量电流和电压的大小,并记录下来。
4. 使用示波器观察电流的波形和变化,并记录下来。
5. 根据实验数据,分析电流场的分布和性质,并与理论推导进行对比。
五、实验结果通过实验,我们观察到了不同形状和分布的电流场,并测量了相应的电流和电压大小。
根据实验数据,我们可以绘制出电流场的分布图,并进一步分析电流场的特性。
六、结果分析与讨论根据实验结果,我们可以看出电流场的分布与导线的形状和位置有关。
当导线呈直线时,电流场呈线状分布;当导线呈环形时,电流场呈环状分布。
此外,我们还观察到电流场的强弱与电流的大小和导线的长度有关。
电流场模拟静电场实验原理的简捷证明
电流场模拟静电场实验原理的简捷证明【摘要】本实验旨在通过电流场模拟静电场实验,证明静电场存在的原理。
首先介绍实验的背景,即静电场的概念和应用。
接着详细描述了实验的目的、原理和步骤,包括通过电流产生磁场来模拟静电场。
数据分析部分将展示实验结果,验证静电场的存在。
实验结果将进一步证明静电场实验的有效性,并探讨实验的意义及展望。
通过本实验的简捷证明,可更直观地理解静电场的特性,并为相关领域的研究提供参考。
【关键词】引言、背景介绍、实验目的、实验原理、实验步骤、数据分析、实验结果、实验验证、实验意义、展望。
1. 引言1.1 背景介绍静电场是物质中产生的一种静电力场,其产生的主要原因是物质分子发生了电子的转移,使得物质带有了正负电荷。
静电场的存在使得物质之间会发生电荷之间的相互作用,从而产生电荷的运动,形成了电流场。
电流场模拟静电场实验可以通过观察电荷在外部电场中的移动情况,验证电场的存在和电荷之间的相互作用。
这对理解静电场的性质和电荷的运动规律有着重要意义。
通过实验可以直观地观察到电荷在外部电场中的受力情况和移动轨迹,从而验证电场对电荷的影响。
实验还可以帮助我们理解电荷之间相互作用的基本原理,从而揭示物质之间的电磁力相互作用机制。
实验的结果可以进一步验证静电场模拟的准确性,为相关领域的研究提供有效的实验数据和参考依据。
通过对电流场模拟静电场实验原理的简捷证明,可以加深对静电场的认识,为进一步的研究和应用提供理论基础。
2. 正文2.1 实验目的实验目的旨在通过模拟电流场产生的静电场,验证静电场中电荷受力的规律。
通过实验可以深入理解静电场的性质,进一步掌握电荷之间相互作用的影响。
具体来说,实验目的包括:1. 了解电流场和静电场的关系:通过电流场模拟静电场的方式,探究电场对电荷的影响有何不同,从而理解电流场与静电场之间的联系和区别。
2. 探究静电力的作用规律:通过实验观察电荷在静电场中的运动规律,进一步研究静电场中电荷之间的相互作用规律,探究静电力的大小和方向变化等问题。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
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U ,电场强度U -∇=E ,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
⎰=⋅S
dS E 0 ⎰=⋅L
dl E 0
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: ⎰=⋅s
dS j 0 ⎰
=⋅L
dl j 0
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。
在模拟的条件上,要保证电极形状一定,电极电位不变,空间介质均匀,在任何一个考察点,有“静电恒稳U U =”或“静电稳恒E E =”。
下面用实验来验证这种等效性。
1.同轴电缆及其静电场分布
如图1a 所示,在真空中有一半径为a r 的长圆柱体A 和一内半径为b r 的长圆筒形导体B ,它们同轴放置,分别带等量异号电荷。
由高斯定理知,在垂直于轴线的任一截面S 内,都有均匀分布的辐射状电场线,这是一个与坐标Z 无关的二
维场。
在二维场中,电场强度 E 平行于 XY 平面,其等位面为一簇同轴圆柱面。
因此只要研究 S 面上的电场分布即可。
图 1 同轴电缆及其静电场分布
由静电场中的高斯定理可知,距轴线的距离为 r 处(如图 1b 所示)的各点电场强度为
r
E 02πελ
=
(1) 式中0ε为柱面各单位长度的电荷量,其电位为
a
a r
r a r r
U dr E U U a
ln 20r πελ-
=⋅-=⎰ (2) 设0r r =时,0=b U ,则有
a
b
a r r U
ln 20=πελ 3) 代入式(2),得
a
b b a r r
r U U ln ln
r = (4)
r r U d dU E a
b a r
r 1
r ln r ⋅=-
= (5)
2.同轴圆柱面电极间的电流分布
若上述圆柱形导体 A 与圆筒形导体 B 之间充满了电导率为σ的不良导体, A 、B 与电源电流正负 极相连接(见图 2),A 、B 间将形成径向电流,建立稳恒电流场'τE ,可以证明
不良导体中的电场强度'γE 与原真空中的静电场τE 是相等的。
取厚度 t 的圆轴形同轴不良导体片为研究对象,设材料电阻率为ρ (ρ=σ
1
) ,则任意半
径 r 到 r+dr
的圆周间的电阻是 r
dr t rt dr S dr dR ⋅=⋅=⋅
=πρπρρ22 (6) 则半径为 r 到 rb 之间的圆柱片的电阻为
⎰==
rb r b
rrb r
r t r dr t R ln 22πρπρ (7)
图2 同轴电缆的模拟模型
总电阻为(半径a r 到b r 之间圆柱片的电阻)
a
b r r r r
t R b a ln 2πρ=
(8) 设0=b U ,两圆柱面间所加电压为a U ,则径向电流为
a
b
a
b a a r r tU r Rr U I ln 2ρπ==
(9) 距轴线 r 处的电位为
a
b
b
a
rr r r r r U IR U b
ln ln
r == (10) 则r r r U dr dU E a
b a r 1
ln ''r ⋅=-
= (11)
由以上分析可见r 'U U r ≈,r 'E E r ≈的分布函数完全相同。
为什么这两种场的分布相同呢?我们可以 从电荷产生场的观点加以分析。
在导电质中没有电流通过的,其中任一体积元(宏观小,微观大,其内 仍包含大量原子)内正负电荷数量相等,没有净电荷,呈电中性。
当有电流通过时,单位时间内流入和 流出该体积元内的正或负电荷。
这就是说,真空中的静电场和有稳衡电流通过时导电质中的场都是由电 极上的电荷产生的。
事实上,真空中电极上的电荷是不动的,在有电流通过的导电质中,电极上的电荷 一边流失,一边由电源补充,在动态平衡下保持电荷的数量不变。
所以这两种情况下电场分布是相同的。
模拟条件:
模拟方法的使用有一定的条件和范围,不能随意推广,否则将会得到荒谬的结论。
用稳恒电流场模拟静电场的条件可以归纳为下例三点:
(1)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;
(2)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电源>>σ导电质才能保证电流场中的电
极(良导体)的表面也近似是一个等位面。
(3)模拟所用电极系统与模拟电极系统的边界条件相同。
测绘方法:
场强 E 在数值上等于电位梯度,方向指向电位降落的方向。
考虑到 E 是矢量,而电位 U 是标量,从实验测量来讲,测定电位比测定场强容易实现,所以可先测绘等位线,然后根据电场线与等位线正交的原理,画出电场线。
这样就可由等位线的间距确定电场线的疏密和指向,将抽象的电场形象反映出来。
实验装置:
GVZ-3 型导电微晶静电场描绘仪(包括导电微晶,双层固定支架,同步探针等),如图 2-14-3 所示, 支架采用双层式结构,上层放记录纸,下层放导电微晶。
电极已直接制作在导电微晶上,并将电极引线 接出到外接线柱上,电极间制作有导电率远小于电极且各项均匀的导电介质。
接通直流电源(10V )就 可以进行实验。
在导电微晶和记录纸上方各有一探针,通过金属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。
移动手柄座时,可保证两探针的运动轨迹是一样的。
由导电微晶上方 的探针找到待测点后,按一下记录纸上方的探针,在记录纸上留下一个对应的标记。
移动同步探针在导 电微晶上找出若干电位相同的点,由此即可描绘出等位线。
【实验内容】
1.描绘同轴电缆的静电场分布
利用图2b 所示的模拟模型,将导电微晶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,移动同步探针测绘同轴电缆的等位线簇。
要求相邻两等位线间的电位差为 1 伏,以每条等位线上各点到原点的平均距离 r 为半径画
出等位线的同心圆簇。
然后根据电场线与等位线正交原理,再画出电场线,并指出电场强度方向,得到一张完整的电场分布图。
在坐标纸上作出相对电位a /U U R 和r ln 的关系曲线,并与理论结果比较,再根据曲线的性质说明等位线是以内电极中心为圆心的同心圆。
【注意事项】
由于导电微晶边缘处电流只能沿边流动,因此等位线必然与边缘垂直,使该处的等位线和电力线严重畸变,这就是用有限大的模拟模型去模拟无限大的空间电场时必然会受到的”边缘效应”的影响.如果减小这种影响,则要使用”无限大”的导电微晶进行实验,或者人为地将导电微晶的边缘切割成电力线的形状. 【思考题】
1.根据测绘所得等位线和电力线的分布,分析那些地方场强较强,那些地方场强较弱?
2.从实验结果能否说明电极的电导率远大于导电介质的电导率?如不满足这条件会出现什么现象?
答:1 电场线密集的地方场强较强 疏的地方较弱。
2.能说明。
不满足时,图形会变形,将会出现不规则的图形。
注:实验结果图见纸质稿。