电场中的等势面及应用

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电荷及带电导体周围存在着一种特殊物质——电场.看不见摸不着,很抽象,但又客观存在.为了形象地描述电场,我们引进了电场线,与电场线功能相似,等势面也能形象地描绘电场.
电场中各点的电势一般不同,但也有许多点的电势相等.我们把电场中电势相等的点构成的面叫作等势面.在电场中移动电荷,静电力做的功只与电荷的起始位置和终止位止(所在点的电势)有关,与电荷经过的路径无关,即ωAB=qμAB.所以在同一等势面上移动电荷时静电力不做功.电场线和等势面垂直,并且由电势高的等势面指向电势低的等势面,
实际测量过程中,电势的测定比场强测定容易,在研究电场时常常先绘出等势面的分布,再由二者是垂直关系,得到电场线的分布.下面我们通过实验来测绘两个等量异种电荷周围的等势面,从而得到其电场分布.
【实验原理】
用导电纸上形成的稳恒电流场来模拟静电场,当两探针与导电纸上电势相等的两点接触时,与探针相连的灵敏电流计中通过的电流为零,指针不偏转,从而可以利用灵敏电流计找出导电纸上的等势点,并依据等势点描绘出等势线.
【实验器材】
学生电源或电池组(电压约为6V),灵敏电流计,开关,导电纸,复写纸,白纸,圆柱形金属电极两个,探针两支,导线若干,木板一块,图钉,刻度尺.
【实验步骤】
1.在平整的木板上,由下而上依次铺放白纸、复写纸、导电纸各一张,导电纸有导电物质的一面要向上,用图钉把白纸、复写纸、和导电纸一起固定在木板上.
2.在导电纸上平放两个跟它接触良好的圆柱形电极,两个电极之间的距离约为10 cm,将两个电极分别与电压约为6V的直流电源的正负极相接,作为“正电荷”和“负电荷”,再把两根探针分别接到灵敏电流计的“+”、“一”接线柱上(如图1所示).
3.在导电纸上画出两个电极的连线,在连线上取间距大致相等的五个点作基准点c,d,e,f,g,并用探针把它们的位置复印在白纸上(如图2所示). 4.接通电源,将一探针跟某一基准点接触,然后在这一基准点的一侧距此基准点约1 cm处再选一点,在此点将另一探针跟导电纸接触,这时一般会看到灵敏电流计的指针发生偏转,左右移动探针位置,可以找到一点使电流计的指针不发生偏转,用探针把这一点位置复印在白纸上(如图3所示).
5.按步骤4的方法,在这个基准点的两侧逐步由近及远地各探测出五个等势点,相邻两个等势点之间的距离约为1cm.
6.用同样的方法,探測出另外四个基准点的等势点.
7.断开电源,取出白纸,根据五个基准点的等势点,画出五条平滑的曲线,这就是五条等势线(如图4所示).
8.根据电场线与等势线垂直画出对应电场线.
描绘等势线的实验在生产生活中用途广泛,例如在设计电子仪器(如导波管,电子显微镜等)中电极的形状、大小和相互位置时,都要利用试验来模型测绘等势面的形状和分布,推知电极产生的电场情况,以便测定符合实际要求的设计方案,
电场的强弱可用等势面形象描绘,在地理课中常用等高线来表示地势的高低,与此相似,在电场中可用来表示电势的高低.等势面密的地方,电场线密,电场强.下面是等高线与等势面的对比示意图.
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