静电场描绘实验报告.doc

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1、实验1静电场描绘实验实验指导书实验三静电场描绘实验讲义一、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。我们知道，带电体周围的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

2、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。5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

3、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＝1cm，故(2)式可简化为（3）图1

4、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.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

5、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5图2长平行圆柱的模型及静电场分布上述的长直同轴电缆内静电场基本上被封闭在电极之内，电极外电场极弱，所以模拟比较准确。本次测绘的长平行圆柱间的静电场见图（2）。由于水槽的面积有限，水槽边缘的电流线无法流到水槽外部去，只能平行于水槽壁流动，无法模拟无限大空间内的电力线分布，这样，水槽边缘

6、部分的模拟失真较大，只有中央部分的测绘才是比较准确的。实验步骤如下：1.把上个实验中所用电极从水槽中取出。2.把两个大的圆柱（半径均为14mm）放在导电杆下合适的位置（具体位置自定，中心距大致为4-5cm），并用导电连杆将其分别压住，使其接触良好。3.把实验箱上的电源接到水槽的两个电极A，B施加电压U0。4.测量坐标（0，-1）点的电压值，并记录此值Ui。5.用探针沿槽底的坐标均匀地选取若干个电压同为Ui的等位点。记下这些点的坐标值。6.换取不同的坐标点，如（-1，-1；+1，+1等）；7.根据以上测量，画出静电场分布图。（三）平行板间的静电场平行板

7、间静电场的示意见图（3）。图3平行板的模型及静电场分布实验步骤：1.把上个实验中的两个圆柱从水槽中取出，把两块平行板（长度均为160mm，两平行板间距离约为80-120mm）放入水槽中合适的位置（具体位置自定）。并用导电连杆将其压住，使其接触良好。2.把实验箱上的电源接到水槽的两个电极A，B，并施加电压U0。3.用探针沿槽底的坐标均匀地选取若干个电压同为Ui的等位点。记下这些点的坐标值。4.换取不同的U值，重复以上测量。5.根据以上测量，画出静电场分布图。（四）模拟长圆柱与平板之间的静电场其静电场如图（4）所示。图4圆柱与平行板的模型及静电场分布实验

8、步骤如下：1.把上个实验中的两个平行板从水槽中取出，把一个半径为14mm的圆柱和一块平行板（长度均为160m