实验十 用稳恒电流场模拟静电场
用稳恒电流场模拟静电场之欧阳史创编
静电场的模拟实验（FB407型静电场描绘仪）(四种电极）实验讲义杭州精科科仪器有限公司用稳恒电流场模拟静电场在工程技术上，常常需要知道电极系统的电场分布情况，以便研究电子或带电质点在该电场中的运动规律。
例如，为了研究电子束在示波管中的聚焦和偏转，这就需要知道示波管中电极电场的分布情况。
在电子管中，需要研究引入新的电极后对电子运动的影响，也要知道电场的分布。
一般说来，为了求出电场的分布，可以用解析法和模拟实验法。
但只有在少数几种简单情况下，电场分布才能用解析法求得。
对于一般的或较复杂的电极系统通常都用模拟实验法加以测定。
模拟实验的缺点是精度不高，但对于一般工程设计来说，已完全能满足要求。
【实验目的】1、懂得模拟实验法的适用条件。
2、学会用稳恒电流场(水槽法)，测定给定的电极模型等位线的分布，再根据电力线与等位线正交的原理，绘制出法模型代表的静电场的电场分欧阳史创编 2021..02.10欧阳史创编 2021..02.10布曲线。
3、对具有解析表达式的同轴电缆模型，将实验值与理论计算值进行比较，求出实验测量结果的相对误差。
【实验原理】电场强度E 是一个矢量。
因此，在电场的计算或测试中往往是先研究电位的分布情况，因为电位是标量。
我们可以先测得等位面，再根据电力线与等位面处处正交的特点，作出电力线，整个电场的分布就可以用几何图形清楚地表示出来了。
当我们得到了电位U 值的分布，由公式（1）：U E -∇= (1)便可以求出E 的大小和方向，整个电场也就确定了。
但实验上想利用磁电式电压表直接测定静电场的电位，是不可能的，因为任何磁电式电表都需要有电流通过才能偏转，而静电场是不存在电流的。
再则任何磁电式电表的内阻都远小于空气或真空的电阻，如果在静电场中引入电表，势必使电场发生严重畸变；同时，电表或其它探测器置于电场中，要引起静电感应，使原场源电荷的分布发生变化。
人们在实践中发现，有些测量在实际情况下难于进行时，可以通过一定的方法，模拟实际情况而进行测量，这种方法称为“模拟法”。
大学物理实验讲义——用稳恒电流场模拟静电场
用稳恒电流场模拟静电场1、知识介绍在科学研究及实际生产中，常常需要确定带电体周围的静电场分布，这些任意形状的带电体在空间的电场分布（即电场强度和电势的分布）比较复杂，一般很难写出它们的数学表达式，理论计算非常困难。
例如在电子管、示波管、电子显微镜以及各种显示器内部电极形状的设计和研究制造中，都需要了解各电极或导体间的电场分布情况，采用数学方法进行计算十分复杂，一般通过实验的手段来确定。
但直接对静电场进行测量也是相当困难，对于静电场，测量仪器只能采用静电式仪表，而实验中一般采用磁电式仪表，有电流才有反应。
静电场中无电流，磁电式仪表不会起作用，且一旦将仪器放入静电场中，探针上会产生感应电荷。
这些电荷所产生的电场将叠加到原来的待测静电场中，即测量仪器的介入会导致原静电场分布发生畸变。
为避免数学方法的复杂性以及直接测量的不现实性，实验中采取模拟法测绘静电场。
模拟法就是采用一个与待测对象有相似的数学形式或物理规律的模型或装置来代替实际的待测对象，且该模型或装置在实验室条件下较容易实现。
相似模型中各个变量与原型中相应变量有相似关系，既包括几何形状相似，也包括质量、时间、力、温度、电流、电场等的相似。
图7-1 垂直风洞模拟空中跳伞图7-2 汽车模拟风洞实验模拟法一般分为物理模拟和数学模拟两大类。
物理模拟具有生动形象的直观性，并可使观察的现象反复出现，尤其是对于那些难以用数学表达式准确描述的对象进行研究时，常常采用物理模拟方法。
数学模拟是指模型和原型遵循相同的数学规律，满足相似的数学方程和边界条件。
本实验模拟构造了一个与原静电场完全一样的稳恒电流场，当用探针去测模拟场时，原场不受干扰，因此可间接地测出模拟场中各点的电势，连接各等电势的点作出等势线。
根据电场线与等势线的垂直关系，描绘出电场线，这样就可以由等势线的间距确定电场线的疏密和指向，即可形象地了解电场情况。
理论和实验都能证明，只要电极的形状和大小，相对位置和边界条件一致，这两个场的分布应该是一样的。
用稳恒电流场模拟静电场
静电场的模拟实验（FB407型静电场描绘仪）(四种电极）实验讲义精科科仪器用稳恒电流场模拟静电场在工程技术上，常常需要知道电极系统的电场分布情况，以便研究电子或带电质点在该电场中的运动规律。
例如，为了研究电子束在示波管中的聚焦和偏转，这就需要知道示波管中电极电场的分布情况。
在电子管中，需要研究引入新的电极后对电子运动的影响，也要知道电场的分布。
一般说来，为了求出电场的分布，可以用解析法和模拟实验法。
但只有在少数几种简单情况下，电场分布才能用解析法求得。
对于一般的或较复杂的电极系统通常都用模拟实验法加以测定。
模拟实验的缺点是精度不高，但对于一般工程设计来说，已完全能满足要求。
【实验目的】1、懂得模拟实验法的适用条件。
2、学会用稳恒电流场(水槽法)，测定给定的电极模型等位线的分布，再根据电力线与等位线正交的原理，绘制出法模型代表的静电场的电场分布曲线。
3、对具有解析表达式的同轴电缆模型，将实验值与理论计算值进行比较，求出实验测量结果的相对误差。
【实验原理】电场强度E 是一个矢量。
因此，在电场的计算或测试中往往是先研究电位的分布情况，因为电位是标量。
我们可以先测得等位面，再根据电力线与等位面处处正交的特点，作出电力线，整个电场的分布就可以用几何图形清楚地表示出来了。
当我们得到了电位U 值的分布，由公式（1）： U E -∇= (1) 便可以求出E 的大小和方向，整个电场也就确定了。
但实验上想利用磁电式电压表直接测定静电场的电位，是不可能的，因为任何磁电式电表都需要有电流通过才能偏转，而静电场是不存在电流的。
再则任何磁电式电表的阻都远小于空气或真空的电阻，如果在静电场中引入电表，势必使电场发生严重畸变；同时，电表或其它探测器置于电场中，要引起静电感应，使原场源电荷的分布发生变化。
人们在实践中发现，有些测量在实际情况下难于进行时，可以通过一定的方法，模拟实际情况而进行测量，这种方法称为“模拟法”。
模拟法要求两个类比的物理现象遵从的物理规律具有相同的数学表达式。
实验十模拟法描绘静电场
实验十 模拟法描绘静电场【预习题】1．用二维稳恒电流场模拟静电场，对实验条件有哪些要求？答：（1）稳恒场中电极形状与被模拟的静电场的带电体几何形状相同。
（2）稳恒场中的导电介质应是不良导体且电阻率分布均匀，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电极系统的边界条件相同。
2．等势线与电场线之间有何关系？答：等势线与电场线处处正交。
3．如果电源电压增加一倍，等势线和电场线的形状是否变化？电场强度和电势分布是否变化？为什么？答：电源电压增加一倍，等势线和电场线的形状不变，但原先电势为U 的等势线变为电势为2U 的等势线。
根据（10-9）、（10-10）可知，电场强度和电势分布变化：当r 不变时，Ur →2Ur ，Er →2Er 。
【思考题】1．出现下列情况之一时，用我们实验中所用装置画出的等位面和电力线形状有无变化？（1）电源电压提高一倍；（2）导电纸上的导电材料的导电率相同但厚度不同；（3）电压表读数有比实际值大10%的系统性误差；（4）电极边缘和导电纸接触不良；（5）测量时电源电压不稳定，在缓慢增加。
答：等势面和电场线形状变化情况为：（1）形状不变，但根据（10-9）可知，原先电势为Ur 的等势线变为电势为2Ur 的等势线。
（2）形状不变，根据（10-9）、（10-10）可知，Ur 、Er 与厚度t 无关。
（3）形状不变，但根据（10-9）可知，所测电势为Ur 的等势线实为电势为1110U 的等势线。
（4）形状有变化，接触不好导致电极的有效形状不再是圆形或圆环形。
（5）形状有变化，对于同一电势来说，后测量的点所测出的等势线电势半径将逐渐减小。
2．怎样由测得的等位线描绘电力线？电力线的疏密和方向如何确定？将极间电压的正负交换一下，实验得到的等位线会有变化吗？答：见图所示。
电场线的疏密由等势线的疏密确定，等势线密的地方电场线也密。
电场线的方向由正电位指向负电位。
(物理实验)7-用稳恒电流场模拟静电场
理解电场与电流场的相似性
分析电场与电流场的相似性，包括电场强度与电流密度、电势与电压等物 理量的对应关系。
通过实验数据和现象，理解电场与电流场的相似性，并探讨它们在物理现 象和工程实践中的应用。
深入理解电场与电流场的差异和特点，为进一步学习电磁场理论打下基础。
02
实验原理
稳恒电流场的特性
电流场中电流密度均匀且恒定
05
实验总结与建议
实验总结
实验原理理解
通过本次实验，我们深入理解了 稳恒电流场与静电场的相似性和 类比关系，掌握了利用稳恒电流 场模拟静电场的原理和方法。
实验操作技能
在实验过程中，我们学会了如何 正确连接电路和使用相关仪器， 如电源、电阻箱、导轨和电极等， 提高了实验操作技能。
误差分析
通过对实验数据的分析和处理， 我们了解了误差的来源和影响， 如温度、湿度、仪器精度和人为 操作等，学会了如何减小误差的 方法。
VS
讨论
这个实验结果表明，稳恒电流场可以作为 一种有效的手段来模拟和研究静电场。这 种方法具有简单、方便的优点，对于一些 难以直接测量或实现的静电场实验，可以 通过稳恒电流场进行模拟。
误差分析
误差来源
在本实验中，误差主要来源于测量设备的精度、实验操作以及数据处理等方面。例如，电压表和电流表的精度限制、 电极放置的准确性、以及数据读数和记录的误差等。
连接电源和导电材料， 形成电流回路。
实验操作流程
将导电材料放置在绝缘材 料上，确保两者之间无接 触。
将电源接入导电材料和电 极，形成电流回路。
使用测量仪器测量电场的 相关参数，如电压、电流 和电导率等。
记录实验数据，并进行分 析和处理。
根据实验需求调整导电材 料和电极的形状和位置， 以模拟不同形状和分布的 静电场。
用稳恒电流模拟静电场实验报告
用稳恒电流模拟静电场实验报告用稳恒电流模拟静电场实验报告引言：静电场是物理学中的一个重要概念，它在我们的日常生活中无处不在。
为了更好地理解静电场的特性和行为，我们进行了一项实验，使用稳恒电流来模拟静电场。
本报告将详细介绍实验的目的、方法、结果和讨论。
实验目的：本实验的目的是通过使用稳恒电流模拟静电场，观察电流在导体表面的分布情况，并验证静电场的基本特性。
实验方法：1. 准备材料：一块导电板、一台稳恒电流源、导线等。
2. 将导电板放置在一个平整的表面上，并确保其与地面保持良好的接触。
3. 将稳恒电流源与导电板连接，确保电流源的输出电流稳定。
4. 打开电流源，调节输出电流至所需数值。
5. 使用导线将导电板上的不同位置连接起来，以形成一个闭合回路。
6. 使用电流表测量导线上不同位置的电流强度。
实验结果：在实验过程中，我们观察到导线上的电流分布情况。
在导线的中心位置，电流强度最大，逐渐向两侧减小。
这与静电场中电场强度的分布类似，即电场强度在电荷周围最大，随着距离的增加逐渐减小。
这个实验结果验证了稳恒电流可以模拟静电场的特性。
讨论：通过本次实验，我们可以得出一些结论和讨论。
首先，稳恒电流模拟静电场是可行的，我们可以通过观察电流分布来了解静电场的特性。
其次，实验结果与理论预期相符，这进一步验证了静电场的基本特性。
此外，我们还可以通过改变导线的形状、大小和材料等因素来研究静电场的不同特性。
这些研究对于深入理解静电场的行为和应用具有重要意义。
实验的局限性：然而，本实验也存在一些局限性。
首先，我们使用的是稳恒电流源模拟静电场，而真实的静电场往往是由静电荷产生的。
因此，实验结果与真实静电场的行为可能存在一定的差异。
其次，我们的实验只涉及了导线上的电流分布情况，对于其他形状的导体或非导体的静电场行为尚未涉及。
未来的研究可以进一步扩展实验的范围，以更全面地理解静电场的特性。
结论：通过使用稳恒电流模拟静电场的实验，我们验证了电流在导体表面的分布情况与静电场的特性相似。
实验2.10 用稳恒电流场模拟静电场
实验2.10 用稳恒电流场模拟静电场[实验目的]1、掌握模拟法描绘静电场的原理和方法。
2、加强对电场强度和电势概念的理解。
[实验仪器]双层式结构静电场描绘仪、静电场描绘电源、模拟电极。
[实验原理]一、模拟的原因在科学研究和生产实际中，需要研究电子器件和设备中电极周围或介质中的电场分布。
由于这些电极形状或者介质分布又是比较复杂的，用理论的方法进行计算很困难，只能靠数值解法求出或用实验方法测出其电场分布。
由于与测量仪器相接的探测头本身总是导体或电介质，若将其放入静电场中，探测头上会产生感应电荷或束缚电荷，这些电荷又产生电场，与被测静电场迭加起来，使被测电场产生显著的畸变。
如果直接测量，也会因探极引入改变原电场的分布，即使探测出来也不是原电场分布。
另外因为静电场中没有运动电荷，也就没有电流，不能使磁电式电表发生偏转，故不能直接用电压表法去测量静电场的电势分布。
因此，实际测量中采用间接的测量方法（即模拟法）来测出静电场的分布。
二、模拟原理静止电荷在其周围空间激发的电场称为静电场，对静电场分布的描述可以用电场强度矢量E和电势U 来描述，也可以形象地用电场线和等势线（等势面）来描述。
由于电场线与等势线（等势面）存在永远正交的关系，只要能够设法描绘出电场中的等势线（等势面）分布，就可以方便的描绘出电场的电场线分布图。
再则标量在计算和测量方面比矢量要简单得多，所以一般都采用从对电势描绘到对电场强度矢量的描绘。
所谓模拟法就是用一种易于实现、便于测量的物理状态或过程去代替另一种不易实现、不便测量的状态或过程。
为了克服直接测量静电场的困难，将带电体放到电介质里，维持带电体之间的电势差（电压）不变，介质里便会有恒定不变的电流，这样就可以直接用电压表测量介质中各点的电势值（相对于另一电极的电压），再根据电势变化的最大方向计算出电场强度。
理论和实践证明，导电介质中恒定电流建立的电场（稳恒电流场）与静电场的规律完全相似，故用电流场去模拟静电场。
用恒定电流场模拟静电场实验报告
用恒定电流场模拟静电场实验报告示例文章篇一：《用恒定电流场模拟静电场实验报告》嘿，亲爱的小伙伴们！今天我要给你们讲讲我做的那个超级有趣的用恒定电流场模拟静电场的实验！实验前，老师就跟我们说这个实验可神奇啦，能让我们看到平时看不到的电场“模样”。
我心里那个好奇呀，就像有只小猫在挠痒痒，迫不及待地想开始。
我们先准备了一堆东西，什么导电纸、电极、电源、电压表等等。
看着这些家伙什儿，我心里直犯嘀咕：“它们真能帮我们模拟出静电场？”实验开始啦！我和小组的小伙伴们眼睛都瞪得大大的。
我们把导电纸铺平，就像给小电场准备了一张舒适的大床。
然后把电极小心翼翼地放上去，那模样，简直比照顾小宝宝还小心。
我看着小伙伴操作，着急地说：“轻点儿，轻点儿，别把电极弄歪啦！”小伙伴白了我一眼：“知道啦，你别在旁边瞎嚷嚷！”电源接通的那一刻，我感觉自己的心都跟着“砰砰”跳起来。
电压表的指针开始摆动，就像一个小精灵在跳舞。
我们赶紧记录下数据，那认真劲儿，仿佛我们是大科学家在做超级重要的研究。
测量的时候可费劲啦！一会儿这个数据不太对，一会儿那个位置又偏了。
我忍不住抱怨：“哎呀，这也太难搞了吧！”另一个小伙伴鼓励我说：“别灰心，咱们再仔细点儿！”经过好一番折腾，数据终于收集得差不多了。
我们看着那些密密麻麻的数字，脑袋都有点大了。
“这可怎么分析呀？”我愁眉苦脸地说。
不过，办法总比困难多！我们一起讨论，一起计算，慢慢地好像摸到了一些门道。
就好像在黑暗中走了好久，终于看到了一丝亮光。
你说这静电场看不见摸不着的，我们居然能用恒定电流场来模拟它，这难道不神奇吗？这就好比我们看不到风，但能通过飘动的树叶感受到风的存在一样。
最后得出的结论就是，通过这个实验，我们成功地用恒定电流场模拟出了静电场，让那些原本抽象的东西变得具体起来。
这让我深深感受到，科学的世界真是充满了奇妙和惊喜，只要我们敢于探索，就能发现更多的奥秘！怎么样，小伙伴们，你们是不是也觉得这个实验很有趣呢？示例文章篇二：《用恒定电流场模拟静电场实验报告》嘿！同学们，今天我要跟你们分享一个超级有趣的实验——用恒定电流场模拟静电场！在开始之前，我满怀着好奇和期待，心里一直在想：这到底能不能成功呢？老师把我们分成了几个小组，我和我的小伙伴们都摩拳擦掌，准备大干一场。
实验2.10 用稳恒电流场模拟静电场
实验2.10 用稳恒电流场模拟静电场[实验目的]1、掌握模拟法描绘静电场的原理和方法。
2、加强对电场强度和电势概念的理解。
[实验仪器]双层式结构静电场描绘仪、静电场描绘电源、模拟电极。
[实验原理]一、模拟的原因在科学研究和生产实际中，需要研究电子器件和设备中电极周围或介质中的电场分布。
由于这些电极形状或者介质分布又是比较复杂的，用理论的方法进行计算很困难，只能靠数值解法求出或用实验方法测出其电场分布。
由于与测量仪器相接的探测头本身总是导体或电介质，若将其放入静电场中，探测头上会产生感应电荷或束缚电荷，这些电荷又产生电场，与被测静电场迭加起来，使被测电场产生显著的畸变。
如果直接测量，也会因探极引入改变原电场的分布，即使探测出来也不是原电场分布。
另外因为静电场中没有运动电荷，也就没有电流，不能使磁电式电表发生偏转，故不能直接用电压表法去测量静电场的电势分布。
因此，实际测量中采用间接的测量方法（即模拟法）来测出静电场的分布。
二、模拟原理静止电荷在其周围空间激发的电场称为静电场，对静电场分布的描述可以用电场强度矢量E和电势U 来描述，也可以形象地用电场线和等势线（等势面）来描述。
由于电场线与等势线（等势面）存在永远正交的关系，只要能够设法描绘出电场中的等势线（等势面）分布，就可以方便的描绘出电场的电场线分布图。
再则标量在计算和测量方面比矢量要简单得多，所以一般都采用从对电势描绘到对电场强度矢量的描绘。
所谓模拟法就是用一种易于实现、便于测量的物理状态或过程去代替另一种不易实现、不便测量的状态或过程。
为了克服直接测量静电场的困难，将带电体放到电介质里，维持带电体之间的电势差（电压）不变，介质里便会有恒定不变的电流，这样就可以直接用电压表测量介质中各点的电势值（相对于另一电极的电压），再根据电势变化的最大方向计算出电场强度。
理论和实践证明，导电介质中恒定电流建立的电场（稳恒电流场）与静电场的规律完全相似，故用电流场去模拟静电场。
用稳恒电流场模拟静电场之欧阳地创编
静电场的模拟实验（FB407型静电场描绘仪）(四种电极）实验讲义杭州精科科仪器有限公司用稳恒电流场模拟静电场在工程技术上，常常需要知道电极系统的电场分布情况，以便研究电子或带电质点在该电场中的运动规律。
例如，为了研究电子束在示波管中的聚焦和偏转，这就需要知道示波管中电极电场的分布情况。
在电子管中，需要研究引入新的电极后对电子运动的影响，也要知道电场的分布。
一般说来，为了求出电场的分布，可以用解析法和模拟实验法。
但只有在少数几种简单情况下，电场分布才能用解析法求得。
对于一般的或较复杂的电极系统通常都用模拟实验法加以测定。
模拟实验的缺点是精度不高，但对于一般工程设计来说，已完全能满足要求。
【实验目的】1、懂得模拟实验法的适用条件。
2、学会用稳恒电流场(水槽法)，测定给定的电极模型等位线的分布，再根据电力线与等欧阳地创编欧阳地创编位线正交的原理，绘制出法模型代表的静电场的电场分布曲线。
3、对具有解析表达式的同轴电缆模型，将实验值与理论计算值进行比较，求出实验测量结果的相对误差。
【实验原理】电场强度E 是一个矢量。
因此，在电场的计算或测试中往往是先研究电位的分布情况，因为电位是标量。
我们可以先测得等位面，再根据电力线与等位面处处正交的特点，作出电力线，整个电场的分布就可以用几何图形清楚地表示出来了。
当我们得到了电位U 值的分布，由公式（1）：U E -∇= (1)便可以求出E 的大小和方向，整个电场也就确定了。
但实验上想利用磁电式电压表直接测定静电场的电位，是不可能的，因为任何磁电式电表都需要有电流通过才能偏转，而静电场是不存在电流的。
再则任何磁电式电表的内阻都远小于空气或真空的电阻，如果在静电场中引入电表，势必使电场发生严重畸变；同时，电表或其它探测器置于电场中，要引起静电感应，使原场源电荷的分布发生变化。
人们在实践中发现，有些测量在实际情况下难于进行时，可以通过一定的方法，模拟实际情况而进行测量，这种方法称为“模拟法”。
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10.00V .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。
静电场的模拟实验
静电场的模拟【实验目的】（1）了解模拟法测静电场分布的原理和方法。
（2）测绘实验室所给各种形状带电体在空间的静电场分布。
（3）测自己设置的带电体在空间的静电场分布。
（4）学会画等势线和电场线并确定空间任一点的电场强度。
【实验原理】1. 用稳恒电流场模拟静电场用稳恒电流场模拟静电场的基础是它们遵从相同的数学方程，即在均匀介质中，无源区域静电场的电位分布服从拉普斯方程；而在均匀导电介质中，无源区电流场的电位分布也服从拉普斯方程；另外它们还必须有相同的边界条件等。
从实验上看，为满足电流场与被模拟的静电场边界条件等相似或相同的要求，设计实验时就应该满足下列条件：（1）静电场中的带电体与电流场中的电极必须相同或相似，而且在场中的位置也要一致。
（2）被模拟的静电场中带电导体表面是等位面，电流场中的电极也必须是等位面。
如果带电体表面附近的场强或电场线处处与表面垂直，则要求电流场中的电极要用良导体做，电流场中导电介质的电导率要远小于电极导体的电导率，这样电流场中电极附近的场强和电力线才处处垂直于电极表面，因此，一般用电流场模拟静电场时导电介质均采用电导率较小的导电纸或水。
（3）电流场中导电介质的分布必须相对应于静电场中介质的分布，如果模拟的是空气（或真空）中的静电场分布，则电流场中的导电介质也必须均匀分布。
如果被模拟的静电场中介质是非均匀分布的，电流场中导电介质的电导率也要作相应的非均匀分布。
2. 无限长同轴圆柱面形带电体静电场的模拟1）静电场的分布设有一圆柱面形带电体如图3.6.1所示，两同轴圆柱面带有异号电荷，内圆柱面带正电荷，每单位长圆柱面带电量为，内外圆柱面半径分别是a 和b ，外圆柱面接地，内圆柱面电位为V 0，两圆柱面间充满均匀介质。
根据电磁理论可知，两圆柱面间的静电场与z 轴无关，为二维平面场，在两柱面间与z 轴垂直的截面内，电场具有轴对称性，电力线与圆柱面垂直，呈辐射状。
根据高斯定理，在截面内距轴为()r a r b ≤≤的一点P ，其静电场强度为012πr E rλε=⋅ （3.6.1） 圆柱面形带电体 该点的电位 图3.6.1图3.6.2 00d d ln 2π2πb b r r r r b V E r r rλλεε=⋅==⎰⎰ （3.6.2） 两柱面间的电位差为00d ln 2πba b V E r aλε=⋅=⎰ （3.6.3） 由（3.6.2）、（3.6.3）两式可得两柱面间任一点的电位0lnln r br V V b a = （3.6.4） 2）电流场的分布由于静电场的分布与z 轴无关，且具有轴对称性，因此，我们只需对垂直于z 轴的一个截面的静电场分布予以模拟即可，模拟电流场的电极为两带电圆柱面截面相同形状的同轴金属圆环，如图3.6.2所示。
大学物理实验用稳恒电流场模拟静电场
模拟
相似性
+
+
-
-
同轴电缆静电场推导过程（不要求，了解） λ电荷线密度 ε真空介电常数
同轴电缆电位推导过程（不要求，了解）
圆柱形电流场和电位（稳恒电流场）推导（不要求，了解） σ电导率
模拟实验法： 精度不高，但对于一般工程设计来说，已能满足要求 在科学实验研究中应用广泛 模拟
不易实现，不易测的物理状态或过程
解析法：
什么是模拟法？
电场分布
易于实现，易测的物理状态或过程
少数几种简单情况
模拟实验法：
a. 物理模拟 ：保持同一物理场本身，把相同的物理现象/过程缩小或放大模拟再现。如“风洞”的飞机模型，模拟实际飞机在大气中飞行。
b. 数学模拟：两个不同本质的物理过程，用同一个数学方程来描述。
为什么不直接测静电场， 而要用稳恒电流场模拟静电场？
直接测静电场存在困难： 静电场中没有电流，电磁式电表不会偏转。 若探针伸入静电场，探针会产生感应电荷，使原电场产生显著畸变。
稳恒电流场与静电场是否具备模拟条件？
是否可以用稳恒电流场模拟静电场？
圆柱形电流场和电位
U1=10V，U2=0V r1=1.0cm，r2=10.0cm 可见圆柱形电极的等位线是同心圆。 场中任一半径r处的电位： 常数K2=10/ln10=4.34 U1=10V U2=0V
2、静电场的测绘方法
同轴圆柱电缆电场 场强E在数值上等于电位梯度，方向指向电位降落的方向。 两点电荷电场
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1、电流场与静电场比较： 等效性?
静电场： 电场强度
两场服从的规律： 数学形式相同， 且边界条件相同 稳恒电流场： 电流连续方程
用电流场模拟静电场实验报告(空)
华 南 师 范 大 学学院 普通物理 实验报告 年级 专业 实验日期 2011 年 月 姓名 教师评定 实验题目 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：⎰=∙sdSE 0，⎰=∙ldlE 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ab rb UUrlnln= 则ra b U E1ln 0⋅=由稳恒电流知识可得ab r b UU r lnln='r ab 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10.00V.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条不同电位电极的等位线图。
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（原点的确定？）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。
实验十 用稳恒电流场模拟静电场
实验十 用稳恒电流场模拟静电场[实验仪器器材]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、直流电源）、记录纸、曲线板、各种电极[仪器描述]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）， 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，在纪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。
[实验步骤]1、描绘同轴电缆的静电场分布利用图10-6(b)所示模拟模型，将导电微晶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，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U R /U a 和rln 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场中心为圆心的同心圆。
2、描绘一个劈尖电极（图10-7）和一个条形电极形成的静电场分布将电流电压调到10V,将记录纸铺在上层平板上，从1V 开始，平移同步探针，用导电微晶上放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，共测9条等位线，每条等势线上找10个以上的点，在电极端点附近应多找几个等位点。
画出等位线，再作出电场线，做电场线时要注意：电场线与等位线正交，导体表面是等位面，电场线垂直于导体表面，电场线发自正电荷而中止于负电荷，疏密要表示出场强的大小，根据电极正、负画出电场线方向。
大学物理实验讲义用稳恒电流场模拟静电场
用稳恒电流场模拟静电场1、知识介绍在科学研究及实际生产中，常常需要确定带电体周围的静电场分布，这些任意形状的带电体在空间的电场分布（即电场强度和电势的分布）比较复杂，一般很难写出它们的数学表达式，理论计算非常困难。
例如在电子管、示波管、电子显微镜以及各种显示器内部电极形状的设计和研究制造中，都需要了解各电极或导体间的电场分布情况，采用数学方法进行计算十分复杂，一般通过实验的手段来确定。
但直接对静电场进行测量也是相当困难，对于静电场，测量仪器只能采用静电式仪表，而实验中一般采用磁电式仪表，有电流才有反应。
静电场中无电流，磁电式仪表不会起作用，且一旦将仪器放入静电场中，探针上会产生感应电荷。
这些电荷所产生的电场将叠加到原来的待测静电场中，即测量仪器的介入会导致原静电场分布发生畸变。
为避免数学方法的复杂性以及直接测量的不现实性，实验中采取模拟法测绘静电场。
模拟法就是采用一个与待测对象有相似的数学形式或物理规律的模型或装置来代替实际的待测对象，且该模型或装置在实验室条件下较容易实现。
相似模型中各个变量与原型中相应变量有相似关系，既包括几何形状相似，也包括质量、时间、力、温度、电流、电场等的相似。
图7-1 垂直风洞模拟空中跳伞图7-2 汽车模拟风洞实验模拟法一般分为物理模拟和数学模拟两大类。
物理模拟具有生动形象的直观性，并可使观察的现象反复出现，尤其是对于那些难以用数学表达式准确描述的对象进行研究时，常常采用物理模拟方法。
数学模拟是指模型和原型遵循相同的数学规律，满足相似的数学方程和边界条件。
本实验模拟构造了一个与原静电场完全一样的稳恒电流场，当用探针去测模拟场时，原场不受干扰，因此可间接地测出模拟场中各点的电势，连接各等电势的点作出等势线。
根据电场线与等势线的垂直关系，描绘出电场线，这样就可以由等势线的间距确定电场线的疏密和指向，即可形象地了解电场情况。
理论和实验都能证明，只要电极的形状和大小，相对位置和边界条件一致，这两个场的分布应该是一样的。
用稳恒电流模拟静电场实验报告
用稳恒电流模拟静电场实验报告一、实验目的1、学习用稳恒电流场模拟静电场的原理和方法。
2、加深对静电场概念和电场线、等势线分布规律的理解。
3、掌握测绘电场分布的实验技能。
二、实验原理静电场是由静止电荷产生的，其电场强度和电势分布取决于电荷的分布情况。
但直接测量静电场存在困难，因为测量仪表的介入会导致原电场分布发生变化。
而稳恒电流场与静电场在一定条件下具有相似的性质，可以用稳恒电流场来模拟静电场进行测量。
对于导电介质中的稳恒电流场，电流密度矢量 J 与电场强度矢量 E之间满足欧姆定律的微分形式：J ＝σE，其中σ 为介质的电导率。
在均匀导电介质中，电导率σ 为常数，所以电场强度 E 与电流密度 J 成正比。
又因为电流线与电场线的分布相似，等势面与电流线处处正交，所以可以通过测量稳恒电流场的分布来模拟静电场的分布。
本次实验采用同轴圆柱面电极间的电场作为模拟对象。
设同轴圆柱面电极的半径分别为 r₁和 r₂（r₁＜ r₂），电极间加电压 U，根据高斯定理可求得圆柱面间的电场强度为：E ＝ U ／（r₂ r₁) ln(r₂／ r₁)其电势分布为：V ＝ U ln(r ／ r₁) ／ ln(r₂／ r₁)在模拟实验中，用稳恒电流场模拟上述静电场，只要保证电极形状和相对位置与静电场中的相同，并且电导率分布均匀，就可以用稳恒电流场中的电势分布来模拟静电场中的电势分布。
三、实验仪器1、静电场描绘实验仪。
2、探针。
3、数字电压表。
四、实验步骤1、连接实验仪器将静电场描绘实验仪的电源接通，调节输出电压至合适值。
将数字电压表与实验仪的测量端连接好。
2、选择测量点在坐标纸上确定测量点的位置。
对于同轴圆柱面电极，选择一系列与电极轴线垂直的平面上的点进行测量。
3、测量电势将探针在选定的测量点上移动，使探针与电极表面接触良好，读取数字电压表的示数，即为该点的电势值。
4、记录数据将测量得到的电势值和对应的测量点坐标记录在表格中。
5、重复测量为了提高测量的准确性，在每个测量点上进行多次测量，取平均值作为最终的测量结果。
用稳恒电流场模拟静电场
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例如，为了研究电子束在示波管中的聚焦和偏转，这就需要知道示波管中电极电场的分布情况。
在电子管中，需要研究引入新的电极后对电子运动的影响，也要知道电场的分布。
一般说来，为了求出电场的分布，可以用解析法和模拟实验法。
但只有在少数几种简单情况下，电场分布才能用解析法求得。
对于一般的或较复杂的电极系统通常都用模拟实验法加以测定。
模拟实验的缺点是精度不高，但对于一般工程设计来说，已完全能满足要求。
【实验目的】1、懂得模拟实验法的适用条件。
2、学会用稳恒电流场(水槽法)，测定给定的电极模型等位线的分布，再根据电力线与等位线正交的原理，绘制出法模型代表的静电场的电场分布曲线。
3、对具有解析表达式的同轴电缆模型，将实验值与理论计算值进行比较，求出实验测量结果的相对误差。
【实验原理】电场强度是一个矢量。
因此，在电场的计算或测试中往往是先研究电位的分布情况，因为电位是标量。
我们可以先测得等位面，再根据电力线与等位面处处正交的特点，作出电力线，整个电场的分布就可以用几何图形清楚地表示出来了。
当我们得到了电位值的分布，由公式（1）：(1)便可以求出的大小和方向，整个电场也就确定了。
但实验上想利用磁电式电压表直接测定静电场的电位，是不可能的，因为任何磁电式电表都需要有电流通过才能偏转，而静电场是不存在电流的。
再则任何磁电式电表的内阻都远小于空气或真空的电阻，如果在静电场中引入电表，势必使电场发生严重畸变；同时，电表或其它探测器置于电场中，要引起静电感应，使原场源电荷的分布发生变化。
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10.00V .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。
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实验十 用稳恒电流场模拟静电场
[实验仪器器材]
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、直流电源）、记录纸、曲线板、各种电极
[仪器描述]
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）， 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，在纪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。
[实验步骤]
1、描绘同轴电缆的静电场分布
利用图10-6(b)所示模拟模型，将导电微晶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，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U R /U a 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场中心为圆心的同心圆。
2、描绘一个劈尖电极（图10-7）和一个条形电极形成的静电场分布
将电流电压调到10V,将记录纸铺在上层平板上，从1V 开始，平移同步探针，用导电微晶上放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，共测9条等位线，每条等势线上找10个以上的点，在电极端点附近应多找几个等位点。
画出等位线，再作出电场线，做电场线时要注意：电场线与等位线正交，导体表面是等位面，电场线垂直于导体表面，电场线发自正电荷而中止于负电荷，疏密要表示出场强的大小，根据电极正、负画出电场线方向。
3、描绘机翼周围的速度场。
4、描绘聚焦电极的电场分布
利用图10-8所示模拟模型，测绘阴极射线示波管内聚焦电极间的电场分布。
要求测出7-9条等位线，相邻等位线的电位差为1V。
该场为非均匀电场，等位线是一簇互不相交的曲线，每条等位线的测量点应取得密一些。
画出电力线，可了解静电透镜聚焦场的分布特点和作用，加深对阴极射线示波管电聚焦原理的理解。
[数据记录与处理]
1.根据测绘所得等位线和电力线的分布，分析哪些地方场强较强，哪些地方场强较弱。
2.在描绘同轴电缆的等位线簇时，如何正确确定圆形等位线簇的圆心，如何正确描绘圆形等位线。
3.由导电微晶与记录纸的同步测量纪录，所要模拟出点电荷激发的电场或同心圆球壳型带电体激发的电场？为什么？
[实验注意事项]
由于导电微晶边缘处电流只能沿边缘流动，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是必然会受到的“边缘效应”的影响。
如要减小这种影响，则要使用“无限大”的导电微晶进行实验，或者认为地将导电微晶的边缘切割成电力线的形状。
[思考题]
1.用电流场模拟静电场的理论依据是什么？
2.用电流场模拟静电场的条件是什么?
3.等位线与电力线之间有何关系？
4.如果电源电压U a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？
5.试举出一对带等量异号线电荷的长平行导线的静电场的“模拟模型”。
这种模型是否是唯一的？。