文档介绍：实验二静电场描绘实验一、实验目的 1. 了解模拟法描绘静电场的理论依据。 2 .学会用模拟法研究静电场,在方格纸上描绘静电场分布的方法。 3 .描绘几种静电场的等位线,根据等位线画出电力线。 4 .加深对静电场、稳恒电流场的了解。二、实验设备 1. 静电场描绘实验模块;2. 有机玻璃描绘装置;3 .直流电压表、直流稳压源三、实验原理 1. 模拟法描绘静电场的理论依据带电体在其周围空间所产生的电场, 可用电场强度 E 和电位 U 的空间分布来描述。为了形象的表示电场的分布情况, 常采用等位面和电力线来描述电场。电力线是按空间各点电场强度的方向顺次连成的曲线, 等位面是电场中电位相等的各点所构成的曲面。电力线和等位面相互正交, 有了等位面的图形就可以画出电力线, 反之亦然。我们所说的测量静电场, 指的是测绘出静电场中等位面和电力线的分布图形, 它是了解电场中一些物理现象或控制带电粒子在电磁场中运动所必须解决的问题,对科研和生产都是十分有用的。静电场的测量一般采用间接测量的方法,即模拟法。模拟法是科学研究和工程技术中广泛使用的一种方法。在自然现象和科学、工程技术问题的研究中, 常常会由于研究对象过于庞大、过程变化过快或过慢, 环境过于危险等原因而难以直接研究和实地测量,因此需要在实验室里制造一个与研究对象相似的模型,使现象和过程得以重现、延缓或加速,以便进行研究和测量。模拟法又可分为物理模拟和数学模拟两大类。如果人为制造的模型与实际研究对象有着相同的物理本质即为物理模拟。如用“风洞”模拟飞机和火箭在大气中的飞行, 用振动台模拟地震对建筑物的影响, 用光测弹性法模拟工程构件内的应力分布等。如果两种不同本质的物理现象或过程遵循相同的数学规律, 则可以用其中一种便于研究和测量的现象或过程来模拟另一现象或过程,这就是数学模拟。用模拟法描绘静电场的方法之一是用电流场代替静电场。本实验仪采用稳恒电流场模拟描绘静电场。由电磁学理论可知电解质(或水液)中稳恒电流场与电介质(或真空)中静电场具有相似性。当空间中不存在自由电荷时, 各向同性介质中静电场满足下列微分方程及边界条件▽· D=0 ;D 1n =D 2n ▽× E=0 ;D 1t =D 2t (1) 式(1)中D 为电位移失量,E 为电场强度矢量; 下标中 n 表示法向,t 表示切向,1、2 代表边界两边的介质。 D和E 的关系为 D=? E=? r? 0E(2) 式(2)中?为介质介电系数, ? 0 为真空介电系数, ? r 为介质的相对介电系数。在静电场的无源区域中,电场强度矢量 E 满足(3) 各向同性导电介质中稳恒电流场满足下列微分方程及边界条件▽· J=0 ;J 1n =J 2n▽× E=0 ;E 1t =E 2t (4) 式(4)中J 为电流密度矢量。 J和E 的关系为 J=σE(5) 式( 5 )中σ为各向同性导电介质的电导率。在电流场的无源区域中,电流密度矢量 J 满足???0 dlJ (6) ???????0 dS E0??? dlE 由(3) 式和(6) 式可看出静电场中电场强度矢量 E 和电流场中电流密度矢量 J 所遵循的物理规律具有相同的数学形式, 所以这两种场具有相似性。在相似场源分布和相似边界条件下, 它们的解的表达式具有相同的数学模型。模拟法测定静电场的理论依据是因为静电场与稳恒电流场这