静电场的描绘实验PPT

实验五静电场的描绘实验目的1.学习用模拟法测绘静电场的原理和方法。

2.加深对电场强度和电位要领的理解。

实验仪器GVZ一3型导电微晶静电场描绘仪(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，电极间有电导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，在记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，由此便可描绘出等位线。

实验原理在一些科学研究和生产实践中，往往需要了解带电体周围静电场的分布情况。

一般来说带电体的形状比较复杂，很难用理论方法进行计算。

用实验手段直接研究或测绘静电场通常也很困难。

因为仪表（或其探测头）放入静电场，总要使被测场原有分布状态发生畸变；除静电式仪表之外的一般磁电式仪表是不能用于静电场的直接测量，因为静电场中不会有电流流过，对这些仪表不起作用。

所以，人们常用“模拟法”间接测绘静电场分布。

一、模拟的理论依据模拟法在科学实验中有极广泛的应用，其本质上是用一种易于实现、便于测量的物理状态或过程的研究，以代替不易实现、不便测量的状态或过程的研究。

为了克服直接测量静电场的困难，我们可以仿造一个与静电场分布完全一样的电流场，用容易直接测量的电流场模拟静电场。

静电场与稳恒电流场本是两种不同场，但是它们两者之间在一定条件下具有相似的空间分布，即两场遵守的规律在形式上相似。

它们都可以引入电位U，而且电场强度U=；它们都遵守高斯定理：对静电场，电场强度在无源区域E-∇内满足以下积分关系∮E·ds = 0 ∮E·d l = 0对于稳恒电流场，电流密度矢量J在无源区域内也满足类似的积分关系∮J·ds = 0 ∮J·d l = 0由此可见，E和J在各自区域中满足同样的数学规律。

静电场描绘对于在静电荷附近存在的静电场，既可用空间各点的电场强度和电势来描述，也可通过电力线和等势面来形象地表示其空间分布。

在静电喷涂、静电喷雾、静电纺丝等工艺，以及各种电子管、示波器、电子枪等电子束器件的研究过程中，都需要了解各电极或带电体之间的电场分布。

静电体系所产生的静电场一般比较复杂，难以得到其电场强度和电势分布的解析表达式，因此常借助实验方法来测定。

如果直接将测试仪表置于静电场进行测量，受静电场的作用，将会形成感应电荷或束缚电荷，从而对原静电场产生一定的干扰。

考虑到稳恒电流场和静电场分布相似，因此在边界条件相同的情况下，可利用稳恒电流场对静电场进行模拟，得到其电场分布。

一、实验目的1. 掌握利用稳恒电流场对静电场进行模拟的适用条件；2. 对于给定的带电电极，描绘出其电场分布；3. 理解电场强度、电势、电力线、等势线的概念和相互关系。

二、实验仪器静电场描绘仪（附带导电微晶、双层固定支架、同步探针）、橡胶磁条、记录纸（A4打印纸）、卷尺。

三、实验原理由唯一性定理可知，满足相同微分方程的两个电场，若具有相同的边界条件，则这电场分布完全相同，从而可相互替代。

电场与稳恒电流场在一定条件下具有相似的空间分布，即两种电场遵守的规律在形式上相似。

对应的电场强度E U =-∇，U 为电势，并满足高斯定理。

对静电场，在无源区域内，电场强度E 满足0=⋅⎰⎰s d E 和0=⋅⎰⎰l d E ，其中s 和l分别对应闭合曲面和曲线。

对于稳恒电流场，电流密度J 在无源区域内也满足类似的积分关系0=⋅⎰⎰s d J 和0=⋅⎰⎰l d J 。

由此可见，电场强度E 和电流密度J 在各自区域中满足类似的数学规律。

若稳恒电流场空间内均匀充满了电导率为σ的不良导体，则不良导体内的电场强度E 与电流密度J 之间满足欧姆定律J E σ=。

因此，E 和E 在各自区域内也具有类似的数学规律。

可见，静电场和稳恒电流场的电流密度、等势线具有相似性，见表1，因此可以用稳恒电流场来模拟静电场，只要测出稳恒电流场的电场分布，就得到静电场的电场分布。