西安邮电大学：《大学物理实验》课程教学资源（教案讲义）电流场模拟静电场

第2篇基础实验|72电流场模拟静电场“模拟法”是一种广泛用于现代社会的研究方法，它的本质在于用易于实现、便于测量的状态和过程模拟不易实现、不便测量的过程。相对于观测者静止的带电体周围存在的电场称为静电场，通常用两种方法来描述静电场：定量描述一一给出电场强度E（）和电势U）的数学表达式：定性描述一画出电场线的空间分布。但是，除非是规则的带电体，否则很难找到静电场的定量描述：定性描述也存在相当的困难，由于没有办法测量，几乎不可能在静电场中找到电势相等的点，即使有办法测量，引入的电极也会破坏原静电场的分布。要研究静电场，就必须借助于“模拟法”。一、实验目的①掌握用模拟法描述静电场的原理和方法。②加深对静电场的理解。③了解模拟法的适用条件。二、实验仪器静电场描绘仪、电极槽、稳压电源、伏特表、开关、滑线变阻器和若干导线三、实验原理静电场是一种特殊形式的物质，它具有能量，对电荷有力的作用。除了电场强度E（）和电势U（）以外，为了形象地描述静电场，相应地引入了电场线和等势面的概念。电场线的疏密度表示了该处电场的强弱，电场线的切线方向是该点电场的方向。等势面是电场中电势相等的点构成的面。两者之间的关系是电场线和等势面垂直。然而直接测量电场强度和电位存在很大的困难，因为不论引入电极还是试验电荷都会破坏原静电场的分布。所以常采用模拟法来研究静电场。均匀导体中的稳恒电流场与真空（或空气）中静电场有相似的物理规律，它们都遵守高斯定律和拉普拉斯方程，都可用电位来描述，而且电流密度与电场强度成正比。所以可以用稳恒电流场来模拟静电场。为了模拟准确，产生电流场的装置应满足以下条件。①导电体应选用电阻分布均匀的各向同性材料，如稀薄的电解液、性能良好的导电纸或导电橡胶膜。②电极材料的电导率必须远大于导电体的电导率，以使每个电极自身各点间的电位差可忽略，即电极为一等势体，类似处于静电平衡状态的导体

2 72 电流场模拟静电场 “模拟法”是一种广泛用于现代社会的研究方法，它的本质在于用易于实现、便于测量 的状态和过程模拟不易实现、不便测量的过程。 相对于观测者静止的带电体周围存在的电场称为静电场，通常用两种方法来描述静电场： 定量描述—给出电场强度 E r( ) 和电势 U r( ) 的数学表达式；定性描述—画出电场线的空 间分布。但是，除非是规则的带电体，否则很难找到静电场的定量描述；定性描述也存在相 当的困难，由于没有办法测量，几乎不可能在静电场中找到电势相等的点，即使有办法测量， 引入的电极也会破坏原静电场的分布。 要研究静电场，就必须借助于“模拟法”。 ① 掌握用模拟法描述静电场的原理和方法。 ② 加深对静电场的理解。 ③ 了解模拟法的适用条件。 静电场描绘仪、电极槽、稳压电源、伏特表、开关、滑线变阻器和若干导线。 静电场是一种特殊形式的物质，它具有能量，对电荷有力的作用。除了电场强度 E r( ) 和 电势 U r( ) 以外，为了形象地描述静电场，相应地引入了电场线和等势面的概念。电场线的疏 密度表示了该处电场的强弱，电场线的切线方向是该点电场的方向。等势面是电场中电势相 等的点构成的面。两者之间的关系是电场线和等势面垂直。 然而直接测量电场强度和电位存在很大的困难，因为不论引入电极还是试验电荷都会破 坏原静电场的分布。所以常采用模拟法来研究静电场。 均匀导体中的稳恒电流场与真空（或空气）中静电场有相似的物理规律，它们都遵守高 斯定律和拉普拉斯方程，都可用电位来描述，而且电流密度与电场强度成正比。所以可以用 稳恒电流场来模拟静电场。为了模拟准确，产生电流场的装置应满足以下条件。 ① 导电体应选用电阻分布均匀的各向同性材料，如稀薄的电解液、性能良好的导电纸或 导电橡胶膜。 ② 电极材料的电导率必须远大于导电体的电导率，以使每个电极自身各点间的电位差 可忽略，即电极为一等势体，类似处于静电平衡状态的导体

第2篇基础实验|73③电极形状应保证电流场分布与被模拟的静电场分布相同。电极与导电体之间要良好接触。一根同轴圆柱体横断面如图2.52所示，a为中心电极，b为同轴外电极。将其置于电解液中，或固定于导电纸上，在Ra、b电极上加以电压U。（a接正，b接负），由于电极的对称K性，电流将均匀地沿径向从内电极流向外电极。该电流场可图2.52静电场模拟原理以模拟一个“无限长”的同轴带电圆柱体之间的静电场。四、实验内容及步骤①按图2.53连接好实验电路。②在电解槽中加入水。③调节稳压电源的电压为15V左右。④在静电场描绘仪的上层放一张方格纸（或白纸），用夹子固定好。稳压电源③移动探针从内到外依次描出等势点，每组等势点15个oo0以上，等势线间的电势间隔为1V或0.5V。图2.53五、数据记录及处理①在方格纸（或白纸）上用铅笔平滑地连接等电势点，标出每条等位线代表的电压值写出图名。②根据电场线与等位线正交的关系，画出电场线。六、注意事项①在测量过程中伏特表的量程要始终一致。②水槽电极放置时位置要端正、水平，避免等位线失真。③实验结束后，将水槽中的水倒掉并倒扣放置，避免电极氧化生锈。七、思考题①模拟法的适用条件有哪些？②用稳恒电流场模拟静电场的实验条件是什么？

2 73 ③ 电极形状应保证电流场分布与被模拟的静电场分布相 同。电极与导电体之间要良好接触。 一根同轴圆柱体横断面如图 2.52 所示，a 为中心电极，b 为同轴外电极。将其置于电解液中，或固定于导电纸上，在 a、b 电极上加以电压 Uo （a 接正，b 接负），由于电极的对称 性，电流将均匀地沿径向从内电极流向外电极。该电流场可 以模拟一个“无限长”的同轴带电圆柱体之间的静电场。 ① 按图 2.53 连接好实验电路。 ② 在电解槽中加入水。 ③ 调节稳压电源的电压为 15V 左右。 ④ 在静电场描绘仪的上层放一张方格纸（或白纸），用 夹子固定好。 ⑤ 移动探针从内到外依次描出等势点，每组等势点15个 以上，等势线间的电势间隔为 1V 或 0.5V。 ① 在方格纸（或白纸）上用铅笔平滑地连接等电势点，标出每条等位线代表的电压值， 写出图名。 ② 根据电场线与等位线正交的关系，画出电场线。 ① 在测量过程中伏特表的量程要始终一致。 ② 水槽电极放置时位置要端正、水平，避免等位线失真。 ③ 实验结束后，将水槽中的水倒掉并倒扣放置，避免电极氧化生锈。 ① 模拟法的适用条件有哪些？ ② 用稳恒电流场模拟静电场的实验条件是什么？