對恒定電流場模擬靜電場的等勢線實驗討論

楊斌

【實驗目的】

1.了解靜電場模擬的依據;

2.學會用模擬法描繪靜電場;

3.測繪靜電場的等勢線、電場線;

4.用描跡法畫出等量異種電荷電場中平面上的等勢線.

【實驗要求】

帶電體的周圍存在靜電場，靜電場的分布是由電荷的分布、帶電體的幾何形狀及周圍介質所決定的.由于帶電體的形狀復雜，大多數情況求不出電場分布的解，因此只能靠數值解法求出或用實驗方法測出電場分布.但是電場強度是矢量，而電勢是標量，在測量上要簡便些，并且恒定電流場與靜電場兩個場的物理量所遵從的物理規律具有相同的數學式，所以我們就想到用直接測量電勢來模擬電場的分布.而直接用電壓表法去測量靜電場的電勢分布往往是困難的，因為靜電場中沒有電流，磁電式電表不會偏轉;另外由于與儀器相接的探測頭本身總是導體或電介質，若將其放人靜電場中，探測頭上會產生感應電荷.由于這些電荷又產生電場，與被測靜電場疊加起來，使被測電場產生顯著的變化，因而我們可以用恒定電流場來模擬靜電場，通過測量恒定電流場的電勢分布來求得靜電場分布.因此，實驗時一般采用間接的測量方法（即模擬法）來解決.

【實驗原理】

根據導電紙中恒定電流場與等量異種電荷的靜電場相似性，模擬等量異種電荷靜電場，將靈敏電流計兩探針放在有電流場的導電紙上不同位置時，電流表指針若不偏轉，表明場中這兩點電勢相等，確定電場中一系列等勢點，描繪出等量異種電荷等勢線的形狀.通過本實驗增強對靜電場的感性認識.

【實驗儀器】

低壓電源或電池組、靈敏電流計、開關、導電紙、白紙、復寫紙、圓柱形電極（兩個）、探針（兩支）、絕緣木板、圖釘、導線若干.如圖1所示.

實驗注意點：低壓電源必須用直流擋;電極必須是圓柱形，否則在電極附近的電流場分布與點電荷電場有很大差別，

【實驗步驟】

1.依次將白紙、復寫紙、導電紙、兩圓柱形電極固定在絕緣板上，電極固定后與電源正、負極相連;再把兩探針分別接到靈敏電流計的“+”、“一”接線柱上，兩個電極間距約為10 cm，電壓6 V.

實驗注意點：鋪放紙的順序是白紙在最下面，再放復寫紙，最上面是導電紙，導電紙黑色面（有導電物質）朝上;電極與導電紙要接觸良好.

2.選基準點：在兩電極的連線上等間距取五個基準點a 、b、c、d、e，用探針將他們復印在白紙上.

3.確定等勢點：接通電源，將一探針壓在基準點上，另一探針在兩電極連線一側距基準點約1 cm處移動，直至靈敏電流計指針不偏轉為止，這表明兩探針接觸點電勢相等，用探針將第一等勢點復印在白紙上.保持壓在基準點的探針不動，將另一探針移至更遠位置，離第一點距離也約為1 cm處，確定第二個等勢點;用同樣的方法在基準點另一側確定兩個等勢點.

4.重復步驟（3），在其他基準點的兩側各探測出四個等勢點.

實驗注意點：不要將探針同時與兩電極接觸，否則會燒壞電流計.找同一等勢點時，壓在基準點的探針要保持不動，否則易產生累積誤差.靈敏電流計的精度對誤差影響較大，盡量選擇量程小的靈敏電流計.

5.畫等勢線：斷開電源，取出白紙，由等勢點描繪出五條平滑的等勢線.

【課后思考】

問題討論：一個學生在做“對恒定電流場模擬靜電場的等勢線實驗”時，手頭沒有靈敏電流計，能否用內阻較大的電壓表代替？如果可以，應該怎么操作？

能，將電壓表的一個探針接通某一電極，另一探針接觸一基準點，讀出基準點的電壓值，用此探針在基準點的一側約1cm處移動，找到與基準點電壓示數相同的點，即該基準點的等勢點.以此類推，確定其他一系列等勢點.再根據等勢點面出等勢線.如圖2所示.