静电场模拟

静电场模拟

一、实验目的

1．学习用恒定电流场模拟静电场的实验方法。 2．研究接地金属槽等的电场分布规律。 二、原理与说明

在工程技术和科学研究中，如果两种物理过程具有对应的物理量、相似的数学方程和相似的边值条件，则常常用易于实现和测量的物理过程来模拟另一物理过程，这种方法是一种模拟法。

在没有电荷分布的电介质内和在没有电源存在的导电媒质中，电场方程如表4.1-1所示。可见，两种场的方程在形式上相似，当边界条件也相似时，那么物理量应具有对应关系，如表4.1-2所示。

表4.1-1 电场方程

表4.1-2 对应的物理量

由于静电场问题直接进行实验研究具有一定难度，所以工程上常用恒定电流场来模拟静电场。 在由带电导体构成的静电场中，导体和电介质的分界面是等位面，因此实验中要求电流场中的电极与导电媒质的分界面也是等位面。此外，当电极尺寸和电极间的距离按一定比例缩小，同时电极间的电位差也按一定比例降低时，场的分布形状保持不变。

由于 ，实验中只需测出二维电场等位线的分布状况，就可以得到与等位线相正交的电力线

的分布规律。

本实验中为了保证电极与导电纸有良好的接触，在导电纸（r≈7.8Ω/cm）下面放一张与导电纸尺寸相同的并在表面涂有绝缘漆的镀锌铁皮，用充磁塑料条压在电极的上方，铁皮与充磁塑料条之间的吸引力使电极与导电纸紧密接触。

图4.1-1给出了本实验装置的结构图。其中，电极为接地金属槽模型，电极间的电压为6V；电位选择开关在位置0处时电位器的输出电位为6V，开关每增加一档输出电位减小0.6V，在位置10处的输出电位为零。在装置内部，电位器的输出端经指零器与探针相连，当探针处的电位与电位器输出端的电位相等时，

指零器的读数为零

图4.1-1 模拟装置结构图

三、仪器设备

螺线管线圈（附木心和铁心） 1 套

调压器110-220/0-250V，1kV.A 1 套

滑线电阻100 ，1A 1 只

交流电流表0.5/1A 1 只

交流毫伏表DA-16, 5Hz~2MHz 1 只

毫特斯拉计或高斯计 1 只

测试线圈 1 只

四、实验任务

1.测绘接地金属槽模型的等位线分布（测量4～5条等位线即可），在曲率变化较大处应多测一些数据。

2.图4.1-2为本实验中提供的四种电极，任选其中的两个构成所需的物理模型，测绘该模型的等位线分布图。

图4.1-2 四种样式的电极

五、注意事项

1.在移动比例尺时，为避免划破导电纸，动作要轻，在保证探针与导电纸接触的前提下，比例尺不可上提或下压。如果导电纸破损应及时更换，以免影响实验结果。

2.由于电极和磁条的宽度有差异，为了保证电极与导电纸接触良好，应将磁条压在电极靠场域的一边。

3.实验前用细纱纸将电极表面的氧化层打掉，确保电极与导电纸接触良好。

4.电极位置一旦固定，应立即将其相对位置记录在坐标纸上。

六、预习要求与思考题

1.了解二维静电场模拟装置的使用方法。

2.准备两张尺寸为120mm×160mm的坐标纸，以记录场图。

3.等位线的疏密说明了什么？

七、实验报告要求

1．将所测得的等电位点用曲线板光滑连接，并根据实验所测的等位线画出电力线图。

2．根据电磁场理论对所得的场图进行分析与讨论。

3．回答预习思考题3。

．静电场模拟的特色

在静电场模拟的实验中，我们利用恒定电流场模拟静电场。给学生提供了四种不同形状的电极，学生可利用给定的电极进行任意组合，来观察不同模型情况下电场的分布情况。同时，我们利用有限元分析软件Ansoft和Ansys计算分析出不同电极组合情况下的电位模拟图供学生将实验结果与理论值进行比对，取得了良好的实验效果。

Ansoft计算输出的电位模拟图

接地金属槽模型圆电极与长直电极模型

直角电极与长直电极模型圆电极与U型电极模型