thme-2型静电场描绘实验仪实验指导书

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1、THME-2型静电场描绘实验仪THME-2型静电场描绘实验仪实验指导书一、实验目的1.了解模拟法描绘静电场的依据及描绘方法。2.描绘几种静电场的等位线。3.加深对静电场，稳恒电流场的了解。二、实验器件THME-2型静电场描绘实验仪。三、实验原理静电场可以用场强E和电位U来表示。由于场强是矢量，电位是标量，测定电位比测定场强容易实现，所以一般都先测绘静电场的等位线，然后根据电力线与等位线正交的原理，画出电力线，由等位线的间距确定电力线的疏密和指向，形象地反映出一个静电场的分布。10THME-2型静电场描绘实验仪用稳恒电流场模拟静电场，为了保

2、证具有相同或相似的边界条件，稳恒电流场应满足以下的模拟条件：1、稳恒电流场中的电极形状和位置必须和静电场中带电体的形状和位置相同或相似，这样可以用保持电极间电压恒定来模拟静电场中带电体上的电量恒定。2、静电场中的导体在静电平衡条件下，其表面是等位面，表面附近的场强（或电力线）与表面垂直。与之对应的稳恒电流场则要求电极表面也是等位面，且电流线与表面垂直。为此必须使稳恒电流场中电极的电导率远大于导电介质的电导率；由于被模拟的是真空中或空气中的静电场，故要求稳恒电流场中导电介质的电导率要处处均匀；此外，模拟电流场中导电介质的电导率还应远大于与其

3、接触的其他绝缘材料的电导率，以保证模拟场与被模拟场边界条件完全相同。实验上电极系统常选用金属材料，导电介质可选用水、导电纸或导电玻璃等。若满足上述模拟条件，则稳恒电流场中导电介质内部的电流场和静电场具有相同的电位分布规律。水的电导率非常均匀，且可以方便地与电极作良好的电接触，所以，精确的测量数据目前还是以水作为电介质测出的，因此，本实验采用水作为电介质。实验中盛水的水槽称为电解槽。根据槽内水深与电极尺寸大小的比较有“深槽”和“浅槽”之分。“深槽”一般用来模拟三维空间的静电场，而“浅槽”则多用来模拟二维平面的电场分布。我们知道，带电体周围的

4、电场分布通常是三维空间的，但当电场的分布具有某种对称性时，只要清楚某一个二维平面上的电场分布，即可知其三维空间的电场分布。如长直同轴电缆内的电场，长平行输电线间的电场等，这些场的特点是除靠近端部的区域外，在垂直于导线的任一平面内电场分布都是相同的。所以只要模拟测量出垂直于导线的二维平面内的电场分布即可。很多二维平面内的电场分布又是对称的，所以有时只要实际测绘一半的电场分布即可描绘出整个电场的分布。10THME-2型静电场描绘实验仪用稳恒电流场模拟静电场时，如果用水作为电介质，若在电极间加上直流电压，则由于水中导电离子向电极附近的聚集和电极

5、附近发生的电解反应，增大了电极附近的场强，从而破坏了稳恒电流场和静电场的相似性，使模拟失真。因此使用水为电介质时，电极间应加交流电压。当交流电压频率f适当时，即可克服电极间加直流电压引起的稳恒电流场分布的失真。交流电源频率f也不能过高，过高则场中电极和导电介质间构成的电容不能忽略不计。其次应使该电磁波的波长λ(λ＝C/f)远大于电流场内相距最远两点间的距离，这样才能保证在每个时刻交流电流场和稳恒电流场的电位分布相似。这种交流电流场称作“似稳电流场”。通常f选为几百到上千Hz，低至50Hz，也可使用。四、实验内容与步骤（一）模拟长同轴电缆中

6、的静电场模拟同轴电缆内静电场时，采用圆柱电极和水槽内的圆环电极（圆柱电极半径为a=1cm，圆环的内半径为b=13.8cm），电路连接如图1所示，则有：（1）为计算方便，(1)式常改写为（2）式中，a=1cm圆柱电极半径，b=13.8cm为圆环内半径，r为测量点与圆电极中心点的距离。对于本实验用仪器，以cm作为长度单位，则因为制造时已使＝10THME-2型静电场描绘实验仪1cm，故(2)式可简化为（3）图1同轴电缆模型实验步骤如下：1.把圆柱电极放置水槽坐标板中心，圆环电极放置水槽周沿，用导电杆将它们压住。2.倒入干净自来水，自来水的深度应

7、和小圆柱上刻划的细线大致对齐。3.通过调节三个水平调节螺钉，并观察水平泡，将装置调水平。4.通过水槽上的两个接线柱，给电极施加电压U0，并且把输出的频率调节到200HZ左右，幅度为5～8V，以下各实验均相同。5.在坐标板上选取某个半径为r的同心圆，在该圆周上选取若干个测量点。用探针测出这些点的电压Ur。6.10THME-2型静电场描绘实验仪此圆即为长同轴电缆横截面中静电场的一个等位线。此等位线应具有的理论电压可由式（1）求出。其上各点的实测电压与理论电压间的误差即为该次测量的误差。7.换取不同半径的同心圆，重复以上测量。8.各次实测电压误

8、差的平均值，即为本次实验总的误差。因探针具有0.1cm的半径，所以计算r时应减去探针的半径。9.依据电力线与等位线处处垂直的原理，描绘出静电场分布图。（二）模拟长平行圆柱间的静电场图2长平行圆