静电场的描绘实验的探讨_陈光伟

静电场的描绘实验的探讨

陈光伟　李锦茴

(郴州师专物理系　湖南郴州　423000)

摘　要:分析了影响静电场的描绘实验的各种不利因素,并对实验方法的改进进行了探讨。关键词:静电场　模拟　电流场　探测

中图分类号:TM151　　文献标识码:A　　文章编号:1008—620X(2001)04—0071—02

DiscussiononDescriptiveExperimentofElectrostaticField

CHENGuang-wei　LIJin-hui

(ChenzhouTeacher'sCollege　Hunan423000China)

Abstract　Thispaperanalysesvariousunfavorablefactorswhichinfluencedescriptiveexperimentofelectrostaticfieldandprobesintotheimprovementofexperimentalmethod.

Keywords　elecrtostaticfield;simulation;electriccurrentfield;exploration

　　静电场的描绘是用稳恒电流场的电势分布来模拟相应的静电场的电势分布,最常见的实验是描绘二共轴无限长均匀带电圆柱体的静电场,如图1,静电场中距离轴心为γ处的电势ur可表示为:[1]

r

　　ur=ua-∫Edrr

0

(1)　

并可推出:

γbln()

γ(2)　ur=u0

γbln()γa

其中ra为内圆柱体半径,n为外环内半径,

图1　实验原理图　　　　　　　　图2　直接测量电路图uo=ua-ub。

　　实验时可将稳恒电流场中的测量值与(2)式的计算值进行比较。实验成败的关键是如何保持电流场的稳恒和探测电流场中的电势和进行数据分析、处理,验证静电场的电势分布规律。

1　实验电路的选择

如图2所示[2],直接用电压表探测电流场中各点的电势,线路简单,操作方便。由于电压表中要流过微小电流,给探测引入了不可避免的误差。选择图3

[1]

所示的补偿法电路,调节桥路平衡,可使Ic=0,从而排除了电压表引入的误差。但是,用这种电路来探测电流场中的电势,操作十分复杂,既要不断地改变

图3　补偿法电路图

收稿日期:2001—09—10

作者简介:陈光伟(1966—),男,湖南省郴州师范高等专科学校物理系实验师。主要研究方向:电磁场。

72　　　　　　　　岳阳师范学院学报(自然科学版)　JOURNALOFYUEYANGNORMALUNIVERSITY　　　　　　　　　第14卷

探针的位置,同时又要调节检流计的灵敏度,稍有偏差,就会造成检流计电流过大而损坏。为此,要对探测法进行适当的改进,首先,确定好内圆柱体A的圆心位置,作六条过圆心且互成30°角的直线,实验时探针只沿直线方向进行探测,这样,探针远离圆心电势下降,靠近圆心电势升高,从而避免了随意改变探针位置时电势的不确定变化对检流计的危害,减少了操作的难度。

2　导电介质和实验装置的选择

　　为了正确模拟,对导电介质要求薄和均匀,电极和导电介质的接触电阻要远小于导电介质的导电电阻[1]。在很多实验室里是用导电纸作为导电介质,但是安装导电纸时很难兼顾导电线的平整性和导电纸与电极间的良好接触之间的矛盾,而且实验时,探针容易划破导电纸造成稳恒电流场的畸变。选用自来水作为导电介质(自来水的导电率各向均匀),可克服上述弊端,既经济又方便,但必须保持水槽的水平,水浅且水面平静无波纹。

　图4　实验装置示意图

常用的实验装置一般采用双层结构,上层放记录纸,下层放

水槽电极,采用等臂记录法来探测、记录等势点。由于探针与记录针很难作到完全一致和始终保持在同一铅垂线上,给记录造成误差,要排除这一误差,可对实验装置进行改进,采用直接记录的方式。如图4所示,拆除原装置的上层,并将水底槽底面过电极A的中心画六条互成30°角的直线,并在直线上标记刻度(最小刻度为1mm)。实验时,探针沿直线探测等势点,并可直接读出该点的位置(半径和角度)。

　图5　电势分布图

3　数据记录和处理

采用补偿电路,选用导电玻璃作导电介质,当ra=5.00mm、n=50.00mm、u0=5.00v时,测得不同电位

下径向各点的实际电势值,并将其与理论计算值进行了比较(见表1)。

表1　电势测定值

U实

(V)1234567

4.00

r实(mm)

08.1

308.2

608.2

908.3

1208.2

1508.1

1808.3

2108.3

2408.2

2708.2

3008.1

r实u理u理-u实

330(mm)(V)u理8.1

8.2

3.92

2.04%1.45%2.04%1.21%3.09%2.74%2.04%

3.5010.210.310.210.110.110.210.210.310.210.310.210.310.23.453.0012.912.913.013.012.812.812.812.912.913.012.913.012.92.942.5016.016.116.116.015.915.815.915.816.016.116.115.816.02.472.0019.919.819.819.719.819.919.919.819.819.819.819.619.81.941.5025.625.625.525.525.425.525.625.425.425.525.525.425.51.461.0031.731.831.631.931.931.931.831.831.731.831.831.931.80.98

　　由实验数据绘出电势分布图如图5所示,可以看出图中的每条等势线都是以轴线为圆心的同心圆,其

电势高低与其距中心距离的关系跟(2)式完全相符。参考文献

[1]杨述武.普通物理实验(二、电磁学部分)[M].北京:高等教育出版社,2000.5.[2]杨俊才.大学物理实验教程[M].长沙:国防科技大学出版社,1994.12.