用模拟法测绘静电场实验报告

用模拟法测绘静电场实验报告 用模拟法测绘静电场 【预习思考题】 1用电流场模拟静电场的理论依据是什么？模拟的条件是什么？ 用电流场模拟静电场的理论依据是：对稳恒场而言，微分方程及边界条件唯一地决定了场的结构或分布，若两种场满足相同的微分方程及边界条件，则它们的结构也必然相同，静电场与模拟区域内的稳恒电流场具有形式相同的微分方程，只要使他们满足形式相同的边界条件，则两者必定有相同的场结构。模拟的条件是：稳恒电流场中的电极形状应与被模拟的静电场中的带电体几何形状相同；稳恒电流场中的导电介质是不良导体且电导率分布均匀，并满足极介以保证电流场中的电极（良导体）的表面也近似是一个等势面；模拟所用电极系统与被模拟电极系统的边界条件相同。 2等势线和电场线之间有何关系？ 等势线和电场线处处相互垂直。 3在测绘电场时，导电微晶边界处的电流是如何流动的？此处的电场线和等势线与边界有什么关系？它们对被测绘的电场有什么影响？ 在测绘电场时，导电微晶边界处的电流为0。此处的电场线垂直于边界，而等势线平行于边界。这导致被测绘的电场在近边界处受边界形状影响产生变形，不能表现出电场在无限空间中的分布 特性。 【分析讨论题】 1如果电源电压增大一倍，等势线和电场线的形状是否发生变化？电场强度和电势分布是否发生变化？为什么？ 如果电源电压增大一倍，等势线和电场线的形状没有发生变化，但电场强度增强，电势的分布更为密集。因为边界条件和导电介质都没有变化，所以电场的空间分布形状就不会变化，等势线和电场线的形状也就不会发生变化，但两电极间的电势差增大，等势线的分布就更为密集，相应的电场强度就会增加。 2在测绘长直同轴圆柱面的电场时，什么因素会使等势线偏离圆形？ 测绘长直同轴圆柱面的电场时测到的等势线偏离圆形，可能的原因有：电极形状偏离圆形，导电介质分布不均匀，测量时的偶然误差等等。 3从对长直同轴圆柱面的等势线的定量分析看，测得的等势线半径和理论值相比是偏大还是偏小？有哪些可能的原因导致这样的结果？ 偏大，可能原因有电极直径测量偏大，外环电极表面有氧化层产生附加电阻，电压标示器件显示偏大等；偏小，可能原因有电极直径测量偏小，中心电极表面有氧化层产生附加电阻，电压标示器件显示偏小等。 用模拟法测绘静电场实验示范报告 【实验目的】 1懂得模拟实验法的适用条件。 2对于给定的电极，能用模拟法求出其电场分布。 3加深对电场强度和电势概念的理解 【实验仪器】 双层静电场测试仪、模拟装置（同轴电缆和电子枪聚焦电极）、JDY型静电场描绘电源。 实验原理 【实验原理】 1、静电场的描述 电场强度E是一个矢量。因此，在电场的计算或测试中往往是先研究电位的分布情况，因为电位是标量。我们可以先测得等位面，再根据电力线与等位面处处正交的特点，作出电力线，整个电场的分布就可以用几何图形清楚地表示出来了。有了电位U值的分布，由 E?U 便可求出E的大小和方向，整个电场就算确定了。 2、实验中的困难 实验上想利用磁电式电压表直接测定静电场的电位，是不可能的，因为任何磁电式电表都需要有电流通过才能偏转，而静电场是无电流的。再则任何磁电式电表的内阻都远小于空气或真空的电阻，若在静电场中引入电表，势必使电场发生严重畸变；同时，电表或其它探测器置于电场中，要引起静电感应，使原场源电荷的分布发生变化。人们在实践中发现，有些测量在实际情况下难于进行时，可以通过一定的方法，模拟实际情况而进行测量，这种方法称为“模拟法”。 3、模拟法理由 两场服从的规律的数学形式相同,如又满足相同的边界条件,则电场、电位分布完全相类似，所以可用电流场模拟静电场。这种模拟属于数学模拟。 静电场(无电荷区) 稳恒电流场(无电流区) ?D?E ?D?dS?0?E?dl?0? b? Uab?E?dl?a ?j?E ?j?dS?E?dl? b ? Uab?a ?0?0 ?E?dl 4、讨论同轴圆柱面的电场、电势分布 （1）静电场 根据理论计算，A、B两电极间半径为r处的电场强度大小为 E? ? 2?0r A、B两电极间任一半径为r的柱面的电势为 1 ln V?VA ln b ba （2）稳恒电流场 在电极A、B间用均匀的不良导体（如导电纸、稀硫酸铜溶液或自来水等）连接或填充时，接上电源（设输出电压为VA）后，不良导体中就产生了从电极A均匀辐射状地流向电极B的电流。电流密度为 ?E? j? 式中E为不良导体内的电场强度，为不良导体的电阻率。 半径为r的圆柱面的电势为 ln V? VA lnbr ba 图1、同轴圆柱面的电场分布 图2、不良导体圆柱面电势分布 结论： 稳恒电流场与静电场的电势分布是相同的。由于稳恒电流场和静电场具有这种等效性，因此要测绘静电场的分布，只要测绘相应的稳恒电流场的分布就行了。 实验内容与步骤 1、 测量无限长同轴圆柱间的电势分布。 （1）在测试仪上层板上放定一张坐标记录纸，下层板上放置水槽式无限长同轴圆柱面电场模拟电极。加自来水填充在电极间。 （2）接好电路。调节探针，使下探针浸入自来水中，触及水槽底部，上探针与坐标纸有1-2mm的距离。 （3）接通电源，K2扳向“电压输出”位置。调节交流输出电压，使AB两电极间的电压为交流12V，保持不变。 （4）移动探针，在A电极附近找出电势为10V的点，用上探针在坐标纸上扎孔为记。同理再在A周围找出电势为10V的等势点7个，扎孔为记。 （5）移动探针，在A电极周围找出电势分别为8V，6V，4V，2V的各8个等势点（圆越大，应多找几点），方法如步骤（4）。 2 （6）分别用8个等势点连成等势线（应是圆），确定圆心O的位置。量出各条等势线的坐标r（不一定都相等），并分别求其平均值。 （7）用游标卡尺分别测出电极A和B的直径2a和2b 。 （8）计算各相应坐标r处的电势的理论值V理，并与实验值比较，计算百分差。 （9）根据等势线与电力线相互正交的特点，在等势线图上添置电力线，成为一张完整的两无限长带等量异号电荷同轴圆柱面的静电场分布图。 （10）以l为横坐标，V实为纵坐标，做V实-l曲线，并与V理-l曲线比较 2、测量聚焦电极的电势分布（选做） 分别测10.00V、9.00V、8.00V、7.00V、6.00V、5.00V、4.00V、3.00V、2 .00V、1.00V、0.00V等，一般先测5 .00V的等位点，因为这是电极的对称轴。 步骤同上 数据记录 模拟电场分布测试数据 V理(V) r(cm) V理 V实?V理 V理 (%) 8.00 110 817 21% 6.00 150 6.31 49% 4.00 215 4.14 34% 3.00 2.55 312 38% 2.00 ？ ？ ？ 1.00 358 1.07 6 5% 处理： 1、用圆规和曲线板绘出园柱形同轴电缆电场等位线(注意电极的位置). 2、根据电力线垂直等位面,绘出电力线. 贴图1：同轴圆柱体 贴图2：聚焦电极 3 3、在圆柱形电缆电场分布图上量出各等位线的半径,计算V并与理论值比较,求出其相对误差. rln(1) ?8.17(V)； （1）r1?1.10cm；则V1?VA aln()b Ev? V实?V理 V理 ?100%?2.2% rln(1) ?6.31(V)； （2）r2?1.50cm；则V2?VA aln()b Ev? V实?V理 V理 ?100%?5.0% （3）要具体计算 （4）要具体计算 （5）要具体计算 结果分析： （1）由图中可以看出实际测量值都在理论值的下方，说明实验的误差主要系统误 4 差。本次测量中误差最小为2.1%，最大为6.5%，超出了仪器的精度1%，认为系统误差在操作中某实验条件未符合时引入的，并且半径越小的地方误差越大。这充分说明实验中要保证水槽 的水介质要均匀分布，并且描绘的等势点不能太少，否则半径会引入较大的误差。 （2）等势面由人工拟合，因此半径的计算较粗糙，估计至少?r?0.2cm，分析对第一组的影响， 8.00.2知，?V?V?r?VA?r?1.09V ar0.4061.1a?r lnlnln b2.145b 1.09Ev?100%?12% 8 说明在确定数据点时，一定要保证装置以及操作的稳定性，另外数据尽量多，以减少实验值的波动性。 ln r 由V?VA 5 用模拟法测绘静电场实验示范报告 物理实验中心 LXD 【实验目的】 1懂得模拟实验法的适用条件。 2对于给定的电极，能用模拟法求出其电场分布。 3加深对电场强度和电势概念的理解 【实验仪器】 双层静电场测试仪、模拟装置（同轴电缆和电子枪聚焦电极）、JDY型静电场描绘电源。 实验原理 【实验原理】 1、静电场的描述 电场强度E是一个矢量。因此，在电场的计算或测试中往往是先研究电位的分布情况，因为电位是标量。我们可以先测得等位面，再根据电力线与等位面处处正交的特点，作出电力线，整个电场的分布就可以用几何图形清楚地表示出来了。有了电位U值的分布，由 E?U 便可求出E的大小和方向，整个电场就算确定了。 2、实验中的困难 实验上想利用磁电式电压表直接测定静电场的电位，是不可能的，因为任何磁电式电表都需要有电流通过才能偏转，而静电场是无电流的。再则任何磁电式电表的内阻都远小于空气或真空的电阻，若在静电场中引入电表，势必使电场发生严重畸变；同时，电表或其它探测器置于电场中，要引起静电感应，使原场源电荷的分布发生变化。人们在实践中发现，有些测量在实际情况下难于进行时，可以通过一定的方法，模拟实际情况而进行测量，这种方法称为“模拟法”。 3、模拟法理由 两场服从的规律的数学形式相同,如又满足相同的边界条件,则电场、电位分布完全相类似，所以可用电流场模拟静电场。这种模拟属于数学模拟。 静电场(无电荷区) 稳恒电流场(无电流区) ?D?E?D?dS?0?E?dl?0? ?U?bE?dl?aba ? ?j?E?j?dS?0?E?dl?0?U?bE?dl?aba 4、讨论同轴圆柱面的电场、电势分布 （1）静电场 根据理论计算，A、B两电极间半径为r处的电场强度大小为 E? ? 2?0r A、B两电极间任一半径为r的柱面的电势为 1 b V?VA blna ln （2）稳恒电流场 在电极A、B间用均匀的不良导体（如导电纸、稀硫酸铜溶液或自来水等）连接或填充时，接上电源（设输出电压为VA）后，不良导体中就产生了从电极A均匀辐射状地流向电极B的电流。电流密度为 ?E? j? ? 式中E为不良导体内的电场强度，为不良导体的电阻率。 半径为r的圆柱面的电势为 b V? VA blna ln 图1、同轴圆柱面的电场分布 图2、不良导体圆柱面电势分布 结论： 稳恒电流场与静电场的电势分布是相同的。由于稳恒电流场和静电场具有这种等效性，因此要测绘静电场的分布，只要测绘相应的稳恒电流场的分布就行了。 实验内容与步骤 1、 测量无限长同轴圆柱间的电势分布。 （1）在测试仪上层板上放定一张坐标记录纸，下层板上放置水槽式无限长同轴圆柱面电场模拟电极。加自来水填充在电极间。 （2）按图17-5接好电路。调节探针，使下探针浸入自来水中，触及水槽底部，上探针与坐标纸有1-2mm的距离。 （3）接通电源，K2扳向“电压输出”位置。调节交流输出电压，使AB两电极间的电压为交流12V，保持不变。 （4）将交流毫伏表与下探针连接。移动探针，在A电极附近找出电势为10V的点，用上探针在坐标纸上扎孔为记。同理再在A周围找出电势为10V的等势点7个，扎孔为记。 （5）移动探针，在A电极周围找出电势分别为8V，6V，4V，2V的各8个等势点（圆越大，应多找几点），方法如步骤（4）。 2 （6）分别用8个等势点连成等势线（应是圆），确定圆心O的位置。量出各条等势线的坐标r（不一定都相等），并分别求其平均值。 （7）用游标卡尺分别测出电极A和B的直径2a和2b 。 （8）计算各相应坐标r处的电势的理论值V理，并与实验值比较，计算百分差。 （9）根据等势线与电力线相互正交的特点，在等势线图上添置电力线，成为一张完整的两无限长带等量异号电荷同轴圆柱面的静电场分布图。 （10）以l为横坐标，V实为纵坐标，做V实-l曲线，并与V理-l曲线比较 2、测量聚焦电极的电势分布（选做） 分别测10.00V、9.00V、8.00V、7.00V、6.00V、5.00V、4.00V、3.00V、2 .00V、1.00V、0.00V等，一般先测5 .00V的等位点，因为这是电极的对称轴。 步骤同上 数据记录 模拟电场分布测试数据 V理(V) r(cm) V理 10.00 ？ ？ 8.00 110 817 21% 6.00 150 6.31 49% 4.00 215 4.14 34% 3.00 2.55 312 38% 2.00 ？ ？ ？ 1.00 358 1.07 6 5% V实?V理 V理 (%) ？ 处理： 1、用圆规和曲线板绘出园柱形同轴电缆电场等位线(注意电极的位置). 2、根据电力线垂直等位面,绘出电力线. 贴图1：同轴援助体 贴图2：聚焦电极 3 3、在圆柱形电缆电场分布图上量出各等位线的半径,计算V并与理论值比较,求出其相对误差. rln(1) ?8.17(V)； （1）r1?1.10cm；则V1?VA aln()b Ev? V实?V理 V理 ?100%?2.2% rln(1) ?6.31(V)； （2）r2?1.50cm；则V2?VA aln()b Ev? V实?V理 V理 ?100%?5.0% （3）要具体计算 （4）要具体计算 （5）要具体计算 结果分析： 由图中可以看出实际测量值都在理论值的下方，说明实验的误差主要系统误差。本 4 次测量中误差最小为2.1%，最大为6.5%，超出了仪器的精度1%，认为系统误差在操作中某实验条件未符合时引