静电场电力线与等位线绘制

实验一静电场电力线与等位线绘制

一、实验目的

1、掌握电场中电场线的测量方法；

2、掌握电场中等位线的描绘方法。

二、实验设备

1. DZ-2型电场描绘仪器1台

2. 双层探针1个

3. 两点电荷水槽电极1个

4. 同轴柱面水槽电极 1块

5. 聚焦电场水槽电极 1块

三、实验原理

在一些电子器件和设备中，有时需知道其中的电场分布，一般都通过实验的方法来确定。直接测量电场有很大的困难，所以实验时常采用一种物理实验的方法－模拟法，即仿造一个电场 ( 模拟场 ) 与原电场完全一样。当用探针去测模拟场时，也不受干扰，因此可间接地测出被模拟的电场中各点的电位，连接各等电位点作出等位线。根据电力线与等位线的垂直关系，描绘出电力线，即可形象地了解电场情况，加深电场强度、电位和电位差概念的理解。

1．两点电荷的电场分布

由图1.1所示，两点电荷A、B各带等量异号电荷，其上分别为+V和-V，由于对称性，等电位面也是对称分布的，电场分布图见图1。

图1.1 两点电荷的电场分布

图1.2 同轴柱面的电场分布

做实验时，是以导电率很好的自来水，填充在水槽电极的两极之间。若在两电极上加一定的电压，可以测出自来水中两点电荷的电场分布。与长平行导线的电场分布相同。

2． 同轴柱面的电场分布

由图1.2所示，因环B 的中心放一点电荷A ，分别加+V 和-V ，由于对称性，等位面都是同心圆，电场分布的图形见图1.2。

如图 1.2 所示，设小圆的电位为Va 半径为a ，大圆的电位为Vb ，半径为b ，则电场中距离轴心为r 处的电位Vr 可表示为：

⎰⋅-=r

a

a r dr E V V （1）

又根据高斯定理，则圆柱内r 点的场强

E=K/r （当a < r < b 时） （2）

式中K 由圆柱的线电荷密度决定。 将（2）式代入（1）式

a

r

K V dr r K V V a r

a

a r ln -=-

=⎰

（3） 在r=b 处应有：)/ln(a b K V V a b ⋅-= 所以

a

b V V K b

a /ln -=

（4）

如果取0V V a =，0=b V ，将（4）式代入（3）式，得到：

a

b r

b V V r /ln /ln 0

= （5）

为了计算方便，上式也可写作：

_

B

a

b r

b V V r /log /log 0

（6）

3． 聚焦电极的电场分布

示波管的聚焦电场是由第一聚焦电极A2和第二加速电极A2组成，A2的电位比A1的电位高。电子经过此电场时，由于受到电场力的作用，使电子聚焦和加速。

做模拟实验时，将图1.3所示的两级电极固定在水槽内，并在两电极上加适当的电压，便能得到图1.3所示的电场分布。

图1.3 聚焦电极的电场分布

当电极接上交流电上，产生交流电场中的瞬时值是随时间变化的，但交流电压的有效值与直流电压是等效的。所以在交流电场中用交流毫伏表测量有效值的等位线与在直流电场中测量同值的等位线，其效果和位置完全相同。

四、 实验电路图

按照图1.4连成分压电路，E 可取AC-12静电场描绘电源或其它交流电源，经R 滑线变阻器分压为实验所需要的两电荷之间的电压值。V 表可用交流毫伏表（晶体管毫伏表），真空管繁用表或MF30万用表的10V 挡，分别测给各电极的电场中的等电位点。

五、 实验步骤

1. 两点电荷的电场分布

使用DZ-2型静电场描绘仪的两点电荷水槽电极，参考图1.4实验电路图连线，晶体管毫伏表10V 量程，及探针联合使用，调节分压器使工作电压为~10V ，然后分别测出其等位点。

2. 同轴柱面的电场分布

更换DZ-2型电场描绘仪的同轴柱丽水槽电极，参考图1.4进行实验，既可定性描绘，也可定量计算。

3. 聚焦电极的电场分布

更换聚焦电场的水槽电极进行实验，可了解静电透镜的聚焦作用，加深对阴级射线示波管的理解。

图1.4 实验电路

六、仪器特点

1. 采用双层式结构，便于记录各组的等电位点。

2. 用自来水作为导电解质，自来水可多次实验，节省实验经费。

3. 仪器直观性强、调整和更换电极方便。

4.，探针经过特殊加工实验效果较佳。

5. 自来水的导电率各向均匀，数据重复性好，电场分布图形规范

七、注意事项

1. 水槽由有机玻璃制成，使用时注意不要摔裂。

2. 电极与铜导线保持良好接触，实验完后，将水槽中的自来水倒净空干。

实验二静磁场磁感应强度线绘制

一、实验目的

1、掌握静磁场磁感应强度的测量方法和原理；

2、掌握磁感应强度线的绘制。

二、实验设备

HLZ-5螺线管磁场测试仪。

装置结构如下：

图2.2

1、螺线管

2、霍尔元件

3、垂直移动尺

4、水平移动尺

5、励磁电流换向开关

6、霍尔电压换向开关

7、工作电流换向开关

三、实验原理

1. 霍尔效应

把半导体薄片放在磁场中 , 并使薄片平面垂直于磁场方向 , 如图 2.1(a), 若在纵向4、3通以电流I , 那么在横向 2 、 1 两端间出现电位差 , 这种现象叫做 " 霍尔效应 " 。出现的电位差叫做霍尔电压 V H。