模拟静电场实验的改进装置

① 静电场模拟测绘的[装置介绍]

如图18－3所示,GVZ-3型导电微晶静电场描绘仪由双层结构的电极架和同步探针两部分组成回.
电极架分上下两层,上层答用来放置描迹记录纸,下层为导电微晶和待测电极.同步探针出由两根相同的弹簧钢条安装在金属手柄两端组成.下探针用来探测模拟场中各点的电势,上探针则在记录纸上扎眼以记录相应场点的位置.
图18－3 GVZ-3型静电场测绘仪专用电源如18－4所示.其使用方法如下:
打开电源开关.把功能开关倒向“校正”挡,然后调节“电压调节”旋钮，这时显示屏上的指示值就是电极架下层的两个待测电极之间的电压.
然后把功能开关倒向“测量”挡,这时显示屏上的指示值就是探针所在位置处的电压值,也就是测量值.
图18－4

② 用稳恒电流场模拟静电场实验报告

用稳恒电场模拟静电场这个实验，要求用来模拟带电导体的电极是一个导电性良好的导体，用来模拟电介质的必须是导电性不太好的不良导体。

③ （1）在用电流场模拟静电场描绘电场等势 线的实验中，给出下列器材，应选用是______（用字母表示）．A.6V

（1）A、B、C本实验恒定电流场模拟静电场，a电极相当于正电荷，b电极相当于负电荷，需要低压直流电流，故AC错误，B正确．
D、E要用探针找到等势点，电流表的灵敏度较高，指针能向左、右偏转．故D错误，E正确．
故选：BE．
（2）将一个探针固定于y轴上的某一点，将另一探针由O点左侧沿x轴正方向移到O点右侧的过程中，两探针间电势差先减小后增大，则灵敏电流表G的指针与零刻度夹角先变小后变大．故D正确，ABC错误．
故答案为：（1）BE，（2）D

④ 静电场模拟测绘的[原理]

电场强度和电势是表征电场特性的两个基本物理量,为了形象地表示静电场,常采用电场线(曾称电力线)和等势面来描绘静电场.电场线与等势面处处正交,因此有了等势面的图形就可以大致画出电场线的分布图,反之亦然.
由电磁学理论可知,无自由电荷分布的各向同性均匀电介质中的静电场的电势、与不含电源的各向同性均匀导体中稳恒电流场的电势,两者所遵从的物理规律具有相同的数学表达式.在相同的边界条件下,这两种场的电势分布相似,因此只要选择合适的模型,在一定条件下用稳恒电流场去模拟静电场是可行的.下面通过实例来分析. 如图18－1（a）所示,真空中有一个半径为r1的长直圆柱导体A和一个内半径为r2的长直圆筒导体B,它们的中心轴重合,沿轴线每单位长度上内外柱面各带电荷+σ和－σ，出于对称性,在垂直于轴线的任一截面S内,电场线沿半径方向呈均匀辐射状分布,其等
图18－1
势面是不同半径的圆柱面.为了计算A、B间静电场的电势分布,沿轴线方向取一单位长度、底面半径为r的同轴圆柱体的表面为高斯面.在S面内,高斯面如图18－1(b)的虚线图所示,由于此高斯面的上下底面没有电场线穿过,设圆柱侧面上各点的电场强度为E,由高斯定理得2πrE = σ/ε0,即
（18－1）
因为外柱面接地点为零电势点,由电场强度与电势的积分关系,在A、B两柱面之间距圆柱中心轴为r处的电势
（18－2）
同理可得A柱的电势
将上式与(18－2)式相除,得相对电势分布
（18－3）
由此式可知,在r1、r2和V1给定的条件下,相对电势Vr/V1仅仅是距离r的函数,而且与1nr成线性关系. 为了仿造一个与静电场分布相似的模拟场,我们设计出的装置称为“模拟模型”.模拟模型是把圆环形金属电极A和圆环形金属电极B同心地置于一层均匀的导电介质S′
图18－2
上,如图18－2（a）所示. 当给两电极加上规定的电压V1'后,在A、B电极之间的导电介质S'上就会产生一个稳定的电流分布.导电介质由导电微晶制成,它的电阻率比金属电极大很多,因此导电微晶是不良导体.设其厚度为t,电阻率为ρ,电极A的半径为r1,电极B的半径为r2,则半径为r到r+dr的圆周间导电微晶的电阻为
（18－4）
半径为r到半径为r2的圆周之间的电阻
（18－5）
同理,半径为r1的A电极到半径为r2的B电极之间电阻为
（18－6）
于是两电极之间的总电流为
（18－7）
设外环的电势为零,即 =0,内环的电势为 ,距环心为r(r1<r<r2)处的电势
整理得相对电势分布
（18－8）
此式说明,模拟电流场的相对电势分布与静电场的相对电势分布（18－3)式相同,只要模拟模型的r1、r2和 与长直同轴柱面的r1、r2和V1相同,必然有 ,由此有
所以模拟场与静电场的电场强度和电势的分布是相同的,如图18－2（b）所示.因此,我们得出结论:稳恒电流场可以模拟某些带电导体的静电场.实际上,只有极简单情形下的一些静电场的电势分布函数能用解析方法求出,所以通过模拟法来测量静电场就具有实际应用价值.

⑤ 《电流场模拟静电场》实验的改进及不足

模拟法本质上使用一种易于实现、便于测量的物理状态或过程模拟不易实现、不便测量的状态和过程，要求这两种状态或过程有一一对应的两组物理量，且满足相似的数学形式及边界条件。一般情况，模拟可分为物理模拟和数学模拟，对一些物理场的研究主要采用物理模拟（物理模拟就是保持同一物理本质的模拟），例如用光测弹性模拟工件内部应力的分布等。数学模拟也是一种研究物理场的方法，它是把不同本质的物理现象或过程，用同一数学方程来描绘。对一个稳定的物理场，若它的微分方程和边界条件一旦确定，其解是唯一的。两个不同本质的物理场如果描述他们的微分方程和边界条件相同，则他们的解是一一对应的，只要对其中一种易于测量的场进行测绘，并得到结果，那么与它对应的另一个物理场的结果也就知道了。由于稳衡电流场易于实现测量，所以就用稳衡电流场来模拟与其具有相同数学形式的其他物理场。
我们还要明确，模拟法是实验和测量难以直接进行，尤其是在理论难以计算时，采用的一种方法，它在工程设计中有着广泛的应用。

⑥ 静电跳球实验的改进办法

当装有金属小球的圆形容器上下两极金属板分别带有正、负电荷时，此时金属小球也带有与下板同号的电荷。根据同号电荷相斥、异号电荷相吸的原理，金属小球受下极板的排斥和上极板的吸引，跃向上极板。一旦金属小球与上极板接触后，金属小球所带的电荷被中和反而带上了与上极板相同的电荷，于是又被排斥返回下极板。如此周而复始，可观察到金属小球在密闭的容器内上下跳动。当两极板电荷被完全中和时，金属小球随之停止跳动。

⑦ 静电场模拟实验中等位线产生偏差的原因

静电场模拟实验中等位线产生偏差的原因如下：
实验中在描绘同一等位线上的不同点时，回因手柄座是在一答定范围内随机移动，因而所有等位点并非向相同方向平移，导致描绘的等位线与原分布不同，即发生畸变。
消除等位线偏差的方法如下：
要消除这种偏差，必须重新调整定位针与探针在同一铅垂线上，而这在实际实验中是比较困难和费时的。因实验装置不合条件，影响了测量结果和实验效果。为此，我们对平移装置和描绘方法做了适当的改进，以消除实验装置形变对测量结果产生的影响。

⑧ 用稳恒电流场模拟静电场中对实验条件有哪些要求

1、电位函数连续；

2、电流密度的法向分量连续。即，当电介质的分布及非静电力给定时，可根据以上方程确定稳恒电场和电流的分布。

稳恒电流场的电位同静电场的电位满足相同的拉普拉斯方程（见泊松方程和拉普拉斯方程），当它们具有相似的边界时，方程的解是相似的。因此可用稳恒电流场模拟静电场，这是实验研究静电场的常用方法。

(8)模拟静电场实验的改进装置扩展阅读

电场强度和电势为表征电场特性的两个基本物理量，为了形象地表示静电场，常采用电场线(曾称电力线)和等势面来描绘静电场。电场线与等势面处处正交，因此有了等势面的图形就可以大致画出电场线的分布图，反之亦然。

由电磁学理论可知，无自由电荷分布的各向同性均匀电介质中的静电场的电势、与不含电源的各向同性均匀导体中稳恒电流场的电势，两者所遵从的物理规律具有相同的数学表达式。在相同的边界条件下，这两种场的电势分布相似，因此只要选择合适的模型，在一定条件下用稳恒电流场去模拟静电场是可行的。