静电场的描绘实验图(浅谈如何改进静电场描绘仪)

文摘：利用导体中稳恒电流场的分布，可以模拟静电场的论文分布。传统的静电场描绘仪存在一系列缺陷，针对对传统静电场描绘仪的缺点进行了改进，通过实验对比，改进后的描绘仪能够很好地模拟静电场。

[关键词]静电场描绘子的改进

静电场描绘：描绘实验是高等院校普遍开设的一门基础电磁学实验，因为静电场的直接测量会由于测量仪器的介入而引起原静电场的畸变，对的测量带来很大的困难，而导体中稳恒电流场的分布规律与真空中静电场电势的分布规律完全相似。因此，通常用稳恒电流场来模拟静电场，这种方法称为模拟法来描述静电场。

在传统的静电/电场描绘实验装置中，导电纸通常被用作电极之间的导电介质。目前，使用水代替导电纸的装置很多，但这两种方法都存在一系列缺陷，导致绘图误差过大，严重影响实验结果。

针对上述两种介质存在的问题，我们对对对，静电场描绘仪进行了改进：电极之间用涂有氧化铟锡薄膜的导电玻璃作为导电介质，用双层探头直接记录各等电位点的坐标，用跟踪点的方法描绘电场。我们在对改进的静电场描绘仪经过反复试验，结果非常令人满意。

一、理论基础

导电介质中的稳恒电流场和真空中的静电场的电势满足拉普拉斯方程。给定边值的拉普拉斯方程有唯一的解。如果这两个方程在相同的边值条件下，它们的解是相同的。因此，均匀导电介质中的电流场可以用来模拟真空中相应分布的静电场。

具有稳恒电流的两个同心圆环电极可以用来模拟两个具有相同和不同电荷的无限同轴圆柱表面之间的电场分布。很容易证明，在这种情况下，A和B是内部和外部圆环电极的半径，Ua是两个电极之间的电势差，而U是在稳恒电流场中中心R的电势。

二、传统绘图仪及其缺陷

根据如图，的传统静电场描绘仪，一般有两种方法：一是用涂有石墨的导电纸作为介质，通过探针和定位销实现定量记录和数据分析；另一种是用水代替导电纸作为介质，方法是将电极固定在透明的有机玻璃水槽中，然后在水槽中放入适量的水，放在实验架的下层进行实验。

1.原绘图仪的缺陷

(1)导电纸上的导电薄层涂覆不均匀，导电纸在各个方向的电阻都很差，所以电流场的分布与模拟静电场的分布不完全相同，使得实验的准确性和重复性较差。

(2)电极与导电纸的接触不均匀，探针与导电纸的接触随人的时间而变化，使得接触电阻不稳定，影响绘图结果。

(3)在测量过程中，探头与导电纸点接触移动，反复接触，导致导电纸损坏。一方面，它直接影响导电纸的导电性能和实验效果；另一方面，它影响导电纸的使用寿命，并且频繁更换导电纸，这增加了实验成本。

由于这些缺陷，该绘图仪测量结果的误差较大，模拟静电场的效果也不理想。这是使用张全新导电纸作为电介质的模拟结果。如果是反复使用的导电纸，误差更大。

2.后者绘图仪的缺陷

用水

(1)水是弱电解质。在外部DC电源的作用下，电解产生氢气和氧气，这些气体以气泡的形式附着在电极表面。这样，一方面，内部和外部电极表面积偏离模拟条件，另一方面，氧将氧化阳极表面，并且覆盖电极的氧化层的电阻率不同于水的电阻率，这影响模拟效果。此外，未电解的离子也会产生与外部电压相反的电压，从而破坏模拟条件。

(2)水是极性分子，在外加电场的作用下产生位移极化和取向极化。两种极化都导致束缚电荷出现在内电极和外电极的表面上，这将产生与水介质中的外部电场方向相反的附加电场，从而破坏模拟条件。

(3)每次实验都要改变水槽中的水，水槽中的水量也会影响模拟效果，给学生的实验带来很大的不便。

因此，以水为介质做这个实验是不理想的。

三、改进型绘图仪及其优点

针对上述对传统绘图仪的缺陷，我们在对的传统静电场绘图仪做了一些改进。我们的方法是使用合适的涂有氧化铟锡薄膜的导电玻璃代替传统的导电纸或水作为两个电极之间的电介质。与传统的两种电介质相比，所选择的电介质至少具有以下优点：

1.ITO薄膜导电层采用真空镀膜技术形成，具有良好的表面均匀性和电阻均匀性，以及良好的模拟条件，提高了实验的准确性。

2.氧化铟锡薄膜导电层耐磨性好，不会因与探针反复接触而损坏，不仅提高了实验的可重复性，而且避免了实验耗材的频繁更换，延长了仪器的使用寿命，节约了实验成本。

3.用氧化铟锡薄膜导电玻璃代替水作为介质，可以完全克服水的缺点，达到最佳模拟条件。

四.结论

传统的静电场描绘仪由于自身的缺陷，不能很好地描述静电场，实验误差约为5%-10%。改进后的绘图仪基本克服了传统绘图仪的缺点，实验误差在3%左右，减小了实验误差，能够更有效地模拟静电场的分布。