对恒定电流场模拟静电场的等势线实验讨论

杨斌

【实验目的】

1.了解静电场模拟的依据;

2.学会用模拟法描绘静电场;

3.测绘静电场的等势线、电场线;

4.用描迹法画出等量异种电荷电场中平面上的等势线.

【实验要求】

带电体的周围存在静电场，静电场的分布是由电荷的分布、带电体的几何形状及周围介质所决定的.由于带电体的形状复杂，大多数情况求不出电场分布的解，因此只能靠数值解法求出或用实验方法测出电场分布.但是电场强度是矢量，而电势是标量，在测量上要简便些，并且恒定电流场与静电场两个场的物理量所遵从的物理规律具有相同的数学式，所以我们就想到用直接测量电势来模拟电场的分布.而直接用电压表法去测量静电场的电势分布往往是困难的，因为静电场中没有电流，磁电式电表不会偏转;另外由于与仪器相接的探测头本身总是导体或电介质，若将其放人静电场中，探测头上会产生感应电荷.由于这些电荷又产生电场，与被测静电场叠加起来，使被测电场产生显著的变化，因而我们可以用恒定电流场来模拟静电场，通过测量恒定电流场的电势分布来求得静电场分布.因此，实验时一般采用间接的测量方法（即模拟法）来解决.

【实验原理】

根据导电纸中恒定电流场与等量异种电荷的静电场相似性，模拟等量异种电荷静电场，将灵敏电流计两探针放在有电流场的导电纸上不同位置时，电流表指针若不偏转，表明场中这两点电势相等，确定电场中一系列等势点，描绘出等量异种电荷等势线的形状.通过本实验增强对静电场的感性认识.

【实验仪器】

低压电源或电池组、灵敏电流计、开关、导电纸、白纸、复写纸、圆柱形电极（两个）、探针（两支）、绝缘木板、图钉、导线若干.如图1所示.

实验注意点：低压电源必须用直流挡;电极必须是圆柱形，否则在电极附近的电流场分布与点电荷电场有很大差别，

【实验步骤】

1.依次将白纸、复写纸、导电纸、两圆柱形电极固定在绝缘板上，电极固定后与电源正、负极相连;再把两探针分别接到灵敏电流计的“+”、“一”接线柱上，两个电极间距约为10 cm，电压6 V.

实验注意点：铺放纸的顺序是白纸在最下面，再放复写纸，最上面是导电纸，导电纸黑色面（有导电物质）朝上;电极与导电纸要接触良好.

2.选基准点：在两电极的连线上等间距取五個基准点a 、b、c、d、e，用探针将他们复印在白纸上.

3.确定等势点：接通电源，将一探针压在基准点上，另一探针在两电极连线一侧距基准点约1 cm处移动，直至灵敏电流计指针不偏转为止，这表明两探针接触点电势相等，用探针将第一等势点复印在白纸上.保持压在基准点的探针不动，将另一探针移至更远位置，离第一点距离也约为1 cm处，确定第二个等势点;用同样的方法在基准点另一侧确定两个等势点.

4.重复步骤（3），在其他基准点的两侧各探测出四个等势点.

实验注意点：不要将探针同时与两电极接触，否则会烧坏电流计.找同一等势点时，压在基准点的探针要保持不动，否则易产生累积误差.灵敏电流计的精度对误差影响较大，尽量选择量程小的灵敏电流计.

5.画等势线：断开电源，取出白纸，由等势点描绘出五条平滑的等势线.

【课后思考】

问题讨论：一个学生在做“对恒定电流场模拟静电场的等势线实验”时，手头没有灵敏电流计，能否用内阻较大的电压表代替？如果可以，应该怎么操作？

能，将电压表的一个探针接通某一电极，另一探针接触一基准点，读出基准点的电压值，用此探针在基准点的一侧约1cm处移动，找到与基准点电压示数相同的点，即该基准点的等势点.以此类推，确定其他一系列等势点.再根据等势点面出等势线.如图2所示.