电磁场实验指导书

电磁场实验讲义
实验一 二线输电线静电场的造型 一、试验目的：
1.学习两维电场模拟的原理与方法。

2.通过测量等位线及绘制电力线，学习电场图形的描绘方法。

二、实验原理（见教材静电模拟一节） 三、实验内容及步骤
1、 将方格纸和导电纸的相对位置固定好，定好方格纸的坐标原点及x 轴y 轴。

2、连接线路，调节电源电压为9V ，依次测绘对电源负极电位分别为1V 、2V 、3V 、4V 、4.5V 、5V 、6V 、7V 、8V 时的各等位线。

四 实验原理
1. 两导线电轴之间的电场是平行平面场;
2. 电力线与等位线正交, 由于两线输电线的等位线方程为
22
22
2)1
2(
2)1
1(-=+-+-
K bK y b K K x
所以得电力线方程为:
2222)(c b c y x +=++
3. 利用静电比拟原理, 使用电流线模拟电力线. 五、实验设备
1.模拟试验台一套（导电纸半径为90mm ，电极半径为6.5mm ，电极几何中心连线构成的弦对应的圆心角为
120）
直流稳压电源一台; 数字万用表一只
六、总结报告要求
1.在实验用的方格纸上描绘等位线。

2.根据实验测得的等位线，描绘电力线，并与理论计算所得的电力线进行比较。

3.根据实验结果，试分析主要是哪些因素影响本实验精度？你认为这些因素是否可以解决。

实验二 接地电阻的研究 一、试验目的：
1.学习用模拟实验的方法研究场的问题。

2.研究接地电阻与接地器的形状、大小以及埋入深度的关系。

3.观察接地器周围导电媒质表面上电位的分布。

二、原理与说明
1.接地电阻指电流由接地装置流入大地再经大地向远处扩散时所遇到的电阻。

接地电阻主要是接地体到无限远处的大地的电阻，而接地线和接地体本身的电阻一般可以忽略。

对于半球埋地的接地器的电阻，可以用镜像法求解。

对于整个球埋入地下，而地面的影响又不可以忽略时，也可以用镜像法近似求解。

实际工作中，会遇到一些问题，它们既难通过实验获得满意的解答，又不便于实地测量，这类问题可以用“模拟法”研究。

例如，当要研究复杂接地器的接地电阻时，可以把实际的接地器缩小，并用水代替土壤，在水内对该物理模型作实验研究。

2.本实验采用的实验装置如图2-1所示。

装满水的铁桶模拟大地，插入水中的电极代表接地器。

这样，电极和桶壁之间水的电阻就相当于接地电阻。

为了避免水和桶壁间形成电容的影响，试验采用1000赫兹的正弦交流电源供电。

电阻R 为已知电阻，此时应有R U U R R
水水
=
3.如果实际接地器的几何形状和实验中所用的电极形状相同，则实际
接地器的接地电阻可用下式计算：水土
水
地R R γγm 1=
式中：
水γ——水的电导率；
土γ——土壤的电导率（其平均值为-210西.米）
； m ——实际接地器与实验中采用的电极相比的倍数。

4.
水的电导率与水中含杂质的多少及成分有关，一般要临时测量。

本实验采
图2-1
图
2-2
用图2-2所示装置进行测量。

在量筒内置一与其同心的空心玻璃管，玻璃管外有二圆盘形相互平行的电极。

若二电极充满水时的电阻为
R
则水的电导率为：
)
(42
2d D R h
-=πγ水
式中：
h ——二圆盘电极间的距离； D ——量筒内直径； d ——玻璃管外直径
（本实验所用数据：cm 25=h ，cm 4=D ，cm 1=d ）
三、实验内容及步骤
1.测量半径cm 2=R 的较大铜球球心距水面分别为下列值时的R U 和水U ：0cm ，2cm ，4cm ，6cm ，10cm ，15cm ，25cm 。

2. 测量半径cm 5.1=R 的较小铜球球心距水面分别为下列值时的R U 和水U ：0cm ，3cm ，6cm ，15cm ，25cm 。

3.测量棒形电极（长cm 20=l ，直径cm 2=d ）上平面与水面平行时的R U 和水U 。

4.测量水的电导率。

四、实验设备
低频信号发生器一台（XFD —7A 型）； 数字万用表一块； 电阻箱一个； 铁桶一个；
大小铜球各一个； 铜棒一根； 探针一套；
测试水的电导率装置一套。

五、注意事项
1.测试电流不宜过大，以免引起水质严重变化（参考数据：取电阻箱电阻为Ω1000，每次取数据调节信号发生器幅度微调旋钮使V 1.0=R
U ，则水中电流恒为mA 1.0）。

2.实验前应观察铜球表面是否干净。

不干净或氧化层不均匀可用细砂纸轻轻磨光，以保证
电极与水接触良好。

3.测试电极应尽量置于桶的中心位置。

六、总结报告要求
1. 计算出各步骤测得的接地电阻值（取1=m ）。

2. 对球形电极半球埋水与深埋水中对应的接地电阻进行理论计算，并与实验结果相比较。

3. 用近似公式d l
l R 4ln 21πγ=计算棒形接地电阻，并与实验结果相比较；这里l 是棒形电极
长度，d 是棒形电极的直径，γ是媒质的电导率。

4. 考虑大地影响时，用近似公式)21
1(
41
0h
R R +=
πγ计算球形电容器的接地电阻；这里0
R 是接地球的半径，h 是球心到地面距离，γ是媒质的电导率。

实验三 螺线管内的磁场分布
一 实验目的
1. 学习磁场的测量方法;
2. 研究螺线管的磁场分布. 二 原理与说明:
1. 螺线管的磁场
对于图3-1所示的空心密绕单层W 匝的螺线管, 通以电流I 时, 应用毕沙定理可求得螺线管管轴上各点的磁感应强度B 的最大值为
i l
IW
B m )cos (cos 22210θθμ-=
这里: ,)
2/(2/cos 2
2
1l X R l X +++=
θ,
)
2/(2/cos 2
2
2l X R l X -+-=
θX 为研究点到螺线
管中心距离; 如果待测线圈是多层的, 则半径R 可取为最内层线圈半径R 1与最外层线圈半
径R 2的算术平均值, 即R =(R 1+R 2)/2. 2. 利用感应方法测试磁感应强度
当在空心螺线管中通以正弦交流电时, 它产生的磁感应强度B 也将是正弦变化. 如果在螺线管中放入一个很小的测试线圈, 当测试线圈的线度足够小时, 则可以近似认为测试线圈中的磁感应强度是均匀的. 测试线圈中的感应电动势为: )/(dt d W c Φ-=ε, 其有效值为:
s B fw fw E m c m c ππ22=Φ=
式中: W c -测试线圈的匝数; f-正弦电流的频率; B m -磁感应强度的最大值; s -测试线圈的等效面积; E -测试线圈中感应电动势的有效值. 显然当测试线圈的参数给定时, 如果E 已经测得, 则通过计算可求得测试线圈所在位置的磁感应强度. 待测螺线管的相关参数如下:
工频f =50Hz; 螺线管: 外径R 1=64mm; 内径R 2=60mm; 长度l =368mm; 匝数W 1=1200T; 绕线半径=0.55mm, 电阻R =17.6 欧姆.
探测线圈的相关参数如下: 外径r 1=11mm; 内径r 2=4.5mm; 长度l =3mm; 匝数W 1=1000T; 绕线半径=0.08mm.
线圈的等效面积计算方法:
取半径为r , 厚度为dr 的薄圆筒, 此薄圆筒的匝数为W c dr /(R 2-R ), 与薄圆筒铰链的磁通为:
)(3
12
221211222
1
R R R R B W dr R R r B W df c R R c ++=-==⎰
⎰ππψ
故整个线圈的等效面积为: )(3
12
2
2121R R R R s ++=π. 三 实验内容及步骤
1. 测试螺线管轴线上各点磁感应强度;
2. 将测试线圈放入螺线管中心位置, 观察管在该处径向的磁感应强度有无变化. 四 实验设备
螺线管(附测试装置)一套; 滑线电阻一个; 自耦调压器一台; 交流安培表一只; 毫伏表一只; 五 注意事项
1. 实验中尽量保持电流不变, 读数力求准确;
2. 本实验测试线圈绕在有机棒上, 棒上刻有尺度, 移动时应注意用力不要过猛, 以免折
断;
3. 由于空心螺线管端部磁场较弱, 接线时应注意尽量使待测端附近附加的磁场少些;
4. 滑线电阻通过的电流较大,小心烫伤. 六 实验报告要求
由实验步骤1测得的各数据,计算初B m 值并与理论计算结果相比较, 分析误差产生原因.。