静电场描绘实验报告.doc

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。
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=),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=,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 同轴电缆模型
实验步骤如下:
,圆环电极放置水槽周沿,用导电杆将它们压住。
,自来水的深度应和小圆柱上刻划的细线大致对齐。
,并观察水平泡,将装置调水平。
,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。
,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。
。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。
,重复以上测量。
,即为本次实验总的误差。,所以计算r时应减去探针的半径。
,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