用电流场模拟静电场
实验八用恒定电流场模拟静电场
实验八用恒定电流场模拟静电场
一、实验目的
本实验的目的是利用恒定电流场模拟静电场，由而探究静电场特性及其影响力。
二、实验原理
本实验利用恒定电流场模拟静电场，即在已确定的空间上设置恒定电流场，模拟静电场的形成。
静电场实际上是由固定电荷内部产生的静态电场，由外部静电力引起，其方向垂直于电荷分布。
随着距离的增加，静电场在空间上的强度会逐渐减弱，最终在某个距离外消失。
三、实验准备
本实验准备的主要设备包括：示波器、恒定电流源、特技电极、石英板以及相关仪器仪表等。
四、实验过程
（1）设定实验条件：首先在示波器上设置参数，以满足实验要求；接着将恒定电流源的输出电压调节至一定值，同时将接地端与石英板的一面相连，将恒定电流源的输出端与石英板的另一面相连，这样设定可使得石英板上形成恒定电流场；最后，将特技电极放置于石英板的表面，以检测石英板上的电势变化。
（2）采集数据：示波器将侦测到的电势变化投入图形拟合程序，根据线性规律拟合出基本分布储存，计算出所需数据，从而确定恒定电流场半径和静电场实验强度。
五、实验总结
本实验利用恒定电流场模拟静电场，主要依靠示波器侦测出电势变化，然后根据线性规律将电势变化拟合出其基本构型，从而计算出所需数据。
本实验给予了对静电场的大致把握，观察到静电场的传播特性，有助于对静电场未来的深入研究。
用电流场模拟静电场
用电流场模拟静电场1．实验目的（1）掌握用模拟法测绘静电场的物理方法；（2）通过对不同形状电极形成的电流场的研究，加深对静电场的感性认识。
2．实验仪器静电场描绘装置（电极架、同步探针），待测电极（仿同轴电缆电极和仿长直平行带电线电极）、变压器、滑线式变阻器、晶体管交流毫伏表3．实验原理稳恒电流场和静电场本来是两种性质不同的场，但由于这两种场都可用电势和电场来描述，且遵从的规律在形式上也相似，在实验中，只要满足一定的条件，就可用稳恒电流场来模拟静电场。
以模拟长同轴电缆内部的电场分布为例，如图所示。
设“无限长”同轴电缆的内外金属圆柱面的半径分别是R 1、R 2,电荷线密度分别为+λ、-λ，柱面间的电容率为ε，取外柱面为零电势，由电磁学知识可知在两柱面间某一点r 处（R 1≤r ≤R 2）的电势为rR πλdr r πλd r V R rR r2ln 22)(22εε=⋅=⋅=⎰⎰r E (7-1) 若内外柱面间的电势差为V 0，则120ln 2R R πλV ε=(7-2) 则(7-1)式可写成r RR R V r V 2120ln ln )(=(7-3) 若在图的两金属柱面间加一恒定电压V 0，并同样设外柱面的电势为零，但将其中的电介质替换成导电媒质（本实验中为杂质水），则导电媒质中将维系一种电场，在这种电场的作用下，导电媒质中的载流子作定向运动形成稳恒电流场。
设导电媒质的电阻率为ρ，圆柱导体的长度为h ，在r 处取一薄圆柱壳，径向厚度为d r ，则该薄圆柱壳的径向电阻d R 为rhdrS dr d πρ=ρ=2R (7-4) 在半径r 和R 2之间导体的径向电阻R(r )为rR h dR r R r2ln 2)(R 2πρ==⎰(7-5) 若R 1和R 2之间导体的总径向电阻为R 0，则120ln 2R R R h πρ=(7-6)将(7-6)式代入(7-5)式，(7-5)式可化为122ln lnR )(R R R r R r = (7-7) r 处的电势即为r 处与外金属柱面的电势差，并注意)(R 0r I V ⋅=即r RR R V I r V 2120ln ln R(r))(=⋅= (7-8) 比较(7-3)式和(7-8)式，可知，静电场中的电势分布与稳恒电流场中的电势分布非常相似，若在实验中能精确地测出电流场中的电势分布，则该相同形状电极间的静电场的电势分布也随即可知。
电流场模拟静电场实验原理的简捷证明
电流场模拟静电场实验原理的简捷证明1. 引言1.1 简介电流场模拟静电场实验原理是一种常见的实验方法，通过在电流场中模拟静电场来研究静电场的特性和行为。
在这个实验中，我们会利用电流场的特性来模拟静电场，并通过实验验证静电场的一些基本原理。
静电场是指在没有电荷流动的情况下，由电荷所形成的场。
静电场的特点是不随时间变化，因此可以用电场强度和电势来描述。
电流场则是指电荷在导体或电路中流动时形成的电场。
通过在电流场中模拟静电场，我们可以更好地理解静电场的行为。
1.2 问题提出静电场在物理学中起着至关重要的作用，但是如何有效地模拟静电场并进行实验验证，一直是科研工作者们所关注的问题。
传统上，人们通过在实验室中使用静电发生器或者静电电荷等方式来产生静电场，但这些方法存在一定的局限性和不足之处。
近年来，一种利用电流场来模拟静电场的方法逐渐受到重视。
电流场模拟静电场实验原理的提出，旨在通过在电流场中产生类似于静电场的效果，从而实现对静电场的模拟和研究。
这种方法不仅可以减少实验装置的复杂性和成本，还可以实现更精准和可控的实验条件，有助于深入理解静电场的基本特性。
通过对电流场模拟静电场实验原理进行研究和验证，可以为静电场的研究提供新的思路和方法。
本文将探讨电流场和静电场的基本概念，并详细介绍电流场模拟静电场实验原理的理论推导和实验步骤，最终分析实验结果并展望该方法未来的应用前景。
【2000字】2. 正文2.1 电流场简介电流场是描述电流在空间中的分布和性质的一种物理场。
在电路理论中，电流场是一种重要的概念，它可以帮助我们理解电流如何在导体中传播和分布。
电流场的基本特征包括电流密度、电场强度和导体的电阻等。
电流密度是描述单位面积或单位体积内的电流的量，通常用J表示，其方向与电流的方向一致。
电场强度是描述电场的强度和方向的物理量，通常用E表示，它与电流密度和导体的电阻之间存在一定的关系。
在实际电路中，往往会遇到静电场的问题。
实验十一 用电流场模拟静电场
实验十一用电流场模拟静电场在工程技术中，经常会遇到一些不易被测试条件不足的物理量，这时，往往采用模拟法来进行测量。
如对飞行器的性能进行测试，利用运动的相对性原理，把飞行器固定在风洞内进行鼓风，根据模拟飞行器的飞行来测试其有关性能。
模拟法是科学研究的一种方法。
它不直接研究物理现象或过程的本身，而用与这些现象或过程相似的模型和煦来进行研究。
例如用振动台模拟地震对工程结构物强度的影响，用电流场模拟水坝渗流，用光测弹性法模拟工程构件内应力分布等。
以上的模拟称为物理模拟，它们在模拟过程中保持物理现象或过程的本质不变，本实验介绍另一种模拟，称为数学模拟，它是指两个不同本质的物理现象或过程可以用类似的数学方程来描述的模拟。
模拟法本本质上是用一种易于实现，便于测量的物理状态或过程，来模拟不易实现、不便测量的状态或过程，只要这两种状态或过程有一一对应的两组物理量，并且它们所满足的数学形式基本相同。
静电场传递一些带电体对另一些带电体的作用，它是物质存在的一种形式。
一般说来，静电测量要比直流电测量复杂。
尽管稳恒电流场与静电场是本质上不同的物理现象。
但是在一定条件下导电介质中稳恒电流场与静电场的描述具有类似的数学方程，因而可以用稳恒电流场来模拟静电场。
在科学实验中，我们常常需要了解各种电极或带电体周围的静电场。
但在多数情况下很难求出电场分布的解析，大都要采用实验的方法来确定静电场的分布。
本实验仪就是采用模拟法来描绘静电场，即用稳恒电流场模拟描绘静电场。
仿制所要研究的电极，用模拟实验方法研究静电场分布，在电子管、示波管、显像管和电子显微镜等电子束器件的设计和研究中具有实用意义。
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、在导电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、实验原理模拟法描绘静电场的理论依据是：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。
实验二十 用稳恒电流场模拟静电场
实验二十 用稳恒电流场模拟静电场在工程技术上，常常需要知道电极系统的电场分布情况，以便研究电子或带电质点在该电场中的运动规律。
例如，为了研究电子束在示波管中的聚焦和偏转，这就需要知道示波管中电极电场的分布情况。
在电子管中，需要研究引入新的电极后对电子运动的影响，也要知道电场的分布。
一般来说，为了求出电场的分布，可以用解析法和模拟实验法。
但只有在少数几种简单情况下，电场分布才能用解析法求得。
对于一般的或较复杂的电极系统通常都用模拟实验法加以测定。
模拟实验法的缺点是精度不高，但对于一般工程设计来说，已能满足要求。
一 实验目的（1）了解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。
二 实验原理电场强度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 (1)便可求出E 的大小和方向，整个电场就算确定了。
但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”。
模拟法要求两个类比的物理现象遵从的物理规律具有相同的数学表达式。
从电磁学理论知道，电解质中的稳恒电流场与介质（或真空）中的静电场之间就具有这种相似性。
因为对于导电媒质中的稳恒电流场，电荷在导电媒质内的分布与时间无关，其电荷守恒定律的积分形式为⎪⎩⎪⎨⎧=⋅=⋅⎰⎰⎰0d 0d sLs j L j (在电源以外区域)而对于电介质内的静电场，在无源区域内，下列方程式同时成立。
电流场模拟静电场的条件
电流场模拟静电场的条件静电场是指在没有电流流动的情况下，由于电荷分布不均匀而形成的一种电场。
而电流场是指电荷在导体中产生的电流所形成的电场。
虽然静电场和电流场是两种不同的电场形式，但是我们可以利用电流场来模拟静电场的情况。
要模拟静电场，我们需要一个导体。
导体是指电荷能够自由移动的物质，如金属。
通过在导体上施加电流，我们可以在导体表面产生一个电场。
这个电场具有类似于静电场的特性，因为电流会使导体表面的电荷分布不均匀。
我们需要一个合适的电流源。
电流源可以是电池或者其他电源设备，用来提供电流。
通过调节电流源的电流大小，我们可以调节模拟静电场的强度。
在模拟静电场时，我们需要注意一些条件。
首先，导体表面要是光滑的，并且没有任何电荷积累的地方。
这是因为在静电场中，电荷会在导体表面聚集，形成电场线。
如果导体表面不光滑或者有其他电荷积累的地方，会影响到模拟的效果。
我们还需要注意导体的形状和大小。
导体的形状和大小会影响到模拟静电场的电场分布。
一般来说，导体越大，模拟的静电场范围越广。
而导体的形状则会决定电场的分布情况。
例如，对于一个球形导体，电场是均匀分布的。
而对于一个带有边角的导体，电场分布就会不均匀。
模拟静电场时还要考虑导体的接地情况。
接地是指将导体与地面相连接，使导体上的电荷能够自由流动到地面上。
在模拟静电场时，接地可以起到平衡电荷的作用，使导体上的电荷分布更加均匀。
总结起来，要使用电流场模拟静电场，我们需要一个导体和一个合适的电流源。
导体的表面要光滑，没有电荷积累的地方。
导体的形状和大小会影响到模拟的效果，而导体的接地情况可以起到平衡电荷的作用。
通过调节电流源的电流大小和导体的形状大小，我们可以模拟出不同强度和分布情况的静电场。
这种方法可以用于教学实验或者科学研究中，帮助人们更好地理解和研究静电场的特性和行为。
用恒定电流场模拟静电场实验报告
用恒定电流场模拟静电场实验报告示例文章篇一：《用恒定电流场模拟静电场实验报告》嘿，亲爱的小伙伴们！今天我要给你们讲讲我做的那个超级有趣的用恒定电流场模拟静电场的实验！实验前，老师就跟我们说这个实验可神奇啦，能让我们看到平时看不到的电场“模样”。
我心里那个好奇呀，就像有只小猫在挠痒痒，迫不及待地想开始。
我们先准备了一堆东西，什么导电纸、电极、电源、电压表等等。
看着这些家伙什儿，我心里直犯嘀咕：“它们真能帮我们模拟出静电场？”实验开始啦！我和小组的小伙伴们眼睛都瞪得大大的。
我们把导电纸铺平，就像给小电场准备了一张舒适的大床。
然后把电极小心翼翼地放上去，那模样，简直比照顾小宝宝还小心。
我看着小伙伴操作，着急地说：“轻点儿，轻点儿，别把电极弄歪啦！”小伙伴白了我一眼：“知道啦，你别在旁边瞎嚷嚷！”电源接通的那一刻，我感觉自己的心都跟着“砰砰”跳起来。
电压表的指针开始摆动，就像一个小精灵在跳舞。
我们赶紧记录下数据，那认真劲儿，仿佛我们是大科学家在做超级重要的研究。
测量的时候可费劲啦！一会儿这个数据不太对，一会儿那个位置又偏了。
我忍不住抱怨：“哎呀，这也太难搞了吧！”另一个小伙伴鼓励我说：“别灰心，咱们再仔细点儿！”经过好一番折腾，数据终于收集得差不多了。
我们看着那些密密麻麻的数字，脑袋都有点大了。
“这可怎么分析呀？”我愁眉苦脸地说。
不过，办法总比困难多！我们一起讨论，一起计算，慢慢地好像摸到了一些门道。
就好像在黑暗中走了好久，终于看到了一丝亮光。
你说这静电场看不见摸不着的，我们居然能用恒定电流场来模拟它，这难道不神奇吗？这就好比我们看不到风，但能通过飘动的树叶感受到风的存在一样。
最后得出的结论就是，通过这个实验，我们成功地用恒定电流场模拟出了静电场，让那些原本抽象的东西变得具体起来。
这让我深深感受到，科学的世界真是充满了奇妙和惊喜，只要我们敢于探索，就能发现更多的奥秘！怎么样，小伙伴们，你们是不是也觉得这个实验很有趣呢？示例文章篇二：《用恒定电流场模拟静电场实验报告》嘿！同学们，今天我要跟你们分享一个超级有趣的实验——用恒定电流场模拟静电场！在开始之前，我满怀着好奇和期待，心里一直在想：这到底能不能成功呢？老师把我们分成了几个小组，我和我的小伙伴们都摩拳擦掌，准备大干一场。
用电流场模拟静电场实验
实验 用电流场模拟静电场专业___________________ 学号___________________ 姓名___________________一、预习要点1.了解静电场的和电场线的基本特点，电位线与电场线的关系；2.了解模拟法测绘静电场的原理与方法；3.在模拟静电场时，对模拟电极和模拟介质各有什么要求；4.做此实验要自备画图白纸或坐标纸；5.在课前写好预习报告，上课时务必将预习报告和原始数据表格一并带来，否则扣分。
二、实验内容、步骤及注意事项(1)用GVZ-3型静电场描绘实验仪模拟静电场。
由电磁学理论可知，场强E 在数值上等于电势梯度，方向指向电势降落方向。
考虑到E 是矢量，而电势U 是标量，从实验测量来讲，测定电势比测定场强容易实现，所以可先测绘等势面（线），然后根据电场线与等势面（线）正交的原理，画出电场线，这样就可由等势面（线）间距确定电场线的疏密和指向，将抽象的电场形象的反映出来。
(2)描绘带电长直同轴圆柱面的等势面及电场线(1) 按要求连接好电路，检查无误后接通电源；(2) 将坐标纸固定在静电场描迹仪上层载纸扳并用磁条压好，探针的下针放入电极内，上针放在坐标纸上准备打孔；（实验前，先用压纸磁条固定好所用白字或坐标纸，然后用同步探针定好电极位置，并用铅笔描绘出电极形式）(3) 将电源输出电压调整为10.00V ，再将输出与测量开关转到测量端；(4) 将探针的下针对准内电极中心，上针在坐标纸上打孔；确定中心点电压a U 的数值；(5) 以该点为中心等角度地做八条辐射线，用探针和记录针沿着上下左右四个方向打孔分别测量a r 和b r 的数值；(6) 以该点为中心等角度地做八条辐射线，用探针沿着八条辐射线从里向外移动找到各种不同数值的电势并打孔（例如6.00V 、4.50V 、3.00V 、1.50V 的点）；(7) 取下坐标纸，用直尺测出a r 和b r 的值及各等势点的半径记入表1和表2中；(8) 在作业中描画出带电长直同轴圆柱面的等势线，根据等势线与电场线相互正交的特点，在等势线图上添置电场线，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。
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用电流场模拟静电场
1．实验目的
（1）掌握用模拟法测绘静电场的物理方法；
（2）通过对不同形状电极形成的电流场的研究，加深对静电场的感性认识。
2．实验仪器
静电场描绘装置（电极架、同步探针），待测电极（仿同轴电缆电极和仿长直平行带电线电极）、变压器、滑线式变阻器、晶体管交流毫伏表
3．实验原理
稳恒电流场和静电场本来是两种性质不同的场，但由于这两种场都可用电势和电场来描述，且遵从的规律在形式上也相似，在实验中，只要满足一定的条件，就可用稳恒电流场来模拟静电场。
以模拟长同轴电缆内部的电场分布为例，如图所示。
设“无限长”同轴电缆的内外金属圆柱面的半径分别是R 1、R 2,电荷线密度分别为+λ、-λ，柱面间的电容率为ε，取外柱面为零电势，由电磁学知识可知在两柱面间某一点r 处（R 1≤r ≤R 2）的电势为
r
R πλ
dr r πλd r V R r
R r
2ln 22)(22
εε=⋅=⋅=⎰
⎰
r E
(7-1) 若内外柱面间的电势差为V 0，则
1
20ln 2R R πλ
V ε=
(7-2) 则(7-1)式可写成
r R
R R V r V 21
2
0ln ln )(=
(7-3) 若在图的两金属柱面间加一恒定电压V 0，并同样设外柱面的电势为零，但将其中的电介质替换成导电媒质（本实验中为杂质水），则导电媒质中将维系一种电场，在这种电场的作用下，导电媒质中的载流子作定向运动形成稳恒电流场。
设导电媒质的电阻率为ρ，圆柱导体的长度为h ，在r 处取一薄圆柱壳，径向厚度为d r ，则该薄圆柱壳的径向电阻d R 为
rh
dr
S dr d πρ=ρ
=2R (7-4) 在半径r 和R 2之间导体的径向电阻R(r )为
r
R h dR r R r
2ln 2)(R 2
πρ
=
=
⎰
(7-5) 若R 1和R 2之间导体的总径向电阻为R 0，则
1
20ln 2R R R h πρ
=
(7-6) 将(7-6)式代入(7-5)式，(7-5)式可化为
1
2
2
ln ln
R )(R R R r R r = (7-7) r 处的电势即为r 处与外金属柱面的电势差，并注意)(R 0r I V ⋅=即
r R
R R V I r V 21
2
0ln ln R(r))(=
⋅= (7-8) 比较(7-3)式和(7-8)式，可知，静电场中的电势分布与稳恒电流场中的电势分布非常相似，若在实验中能精确地测出电流场中的电势分布，则该相同形状电极间的静电场的电势分布也随即可知。
由式(7-8)可知，两柱面间的电势分布只与r 有关，即其内部等位线形状是以电极轴心为中心的一组同心圆。
在具体实验时，可通过等势点的测绘描出等势线并量出其半径r ，代入式(7-8)就可以计算出该等势线处电势的理论值V 理，将其与实验值V 进行比较，并计算出百分差。
测绘装置及电路
在本实验中，我们用静电场描迹仪来测量电流场中各点电位，采用杂质水作为导电媒质。
但由于在直流电压下，杂质水容易极化，从而会改变径向电阻的分布，特别是会在电极附近产生较大的压降，引起测量误差增大。
故在实验中我们将加在两电极之间的直流电压改用低频交流电压（用低压市电替代）。
这样做还鉴于另一原因，即低频交流电场与直流电场具有相似性，只不过此时的
U 0为交流电压的有效值。
测绘电路如图7-3所示。
静电场描绘仪（包括水槽
电极、同步探针等）如图7-4所示，采用双层式结构，上层放记录纸，下层装水
槽电极。
电极已直接固定在水槽中，并将电极引线接出至外接线柱上。
民用自来水其实就是杂质水，可作为导电媒质。
实验时，将自来水倒入水槽里（淹没电极即可），调节滑线变阻器，在电极之间加上10V 交流电压（从晶体管交流毫伏表读出）就可进行实验。
在水槽电极和
记录纸上方各有一探针，通过弹簧片探
图7-3 测绘电路图
上弹簧片及探针
图7-4 静电场描绘仪结构图
针臂把两探针固定在同一手柄座上，两探针始终保持在同一铅垂线上。
这样，移动手柄座时，可保证两探针的运动轨迹完全相同。
当水槽内的探针找到待测点后，按下记录纸上方的探针，扎孔为记，将同电位的点连成光滑的曲线即为与该电位对应的等位线。
4．实验内容及步骤
(1) 定量研究
○1将自来水加入仿长同轴电缆电极水槽内，平稳地放入静电场描绘仪下层，按图7-3所示的原理图接线。
○2将描绘仪下层的金属探针紧贴在水槽中心的柱形电极，调节滑线变阻器，使得晶体管交流毫伏表的读数为10V，此时，可认为加在内圆柱面的外侧与外圆柱面的内侧的电位差为10伏。
○3在内侧电极附近，在记录纸上打出对应6.0V等位线的各等位点。
注意，扎孔时应保持等间距，孔间距一般为0.5厘米左右。
按此方法，依次打出对应5V、4V、3V、2V和1V 各等位线的等位点。
○4取下记录纸，用光滑曲线描出各等位线，并根据电场线和等位线的正交关系画出模拟的电场线。
○5根据各等位线位置，量得各等位线到中心的距离，即各等位线的半径r，求出理论值，并与实验值比较，计算百分差，填入表7-1。
U0 =_____10____(V)，R1 =___0.5_____（cm）, R2 =_____5_____(cm) 表7-1. 仿同轴电缆等位线半径及其电位理论值计算
(2) 定性研究
将仿长直平行带电线电极水槽替换仿同轴电缆电极水槽，重复上述步骤○1～○4。
（注：步骤○3中分别打出8.0V、7.0V、6.0V、5.0V、4.0V、3.0V、2.0V等位线）。