电磁学实验指导书doc.docx
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电磁学实验指导书doc
电磁学实验
考核形式：
1）平时成绩占60%：
包括：
对实验原理、方法、步骤、实验技能、实验设计等的掌握，实验报告的书写，实验前后的预习及总结等，综合评定。
2）期末操作考试+笔试占40%：
单人单桌，随机抽题。
二项成绩之和为总成绩。
实验一静电场的描绘
实验类型：
综合
实验类别：
专业基础
实验学时：
3
所涉及的课程和知识点：
电磁学课程中静电场和稳恒电流的内容
一、实验目的
1.了解用电流场模拟静电场的基本原理
2.加深对静电场性质的理解
3.学习用回归法处理数据
二、实验原理
带电体在其周围空间会产生静电场，可以用电场强度丘或电位V的空间分布来描述。
在一些电子器件和设备中，常常需要知道其中的电场分布。
一般情况下,可以从已知的电和分布，用静电场方程求出其对应的电场分布，但对于较为复杂的静电场分布，数学上仍十分困难。
因此，一般都希望通过实验的方法来确定，但直接测量电场有很大的困难。
因为一是静电场中无电流，不能适用磁电式仪表,而只能使用较复杂的静电仪表和相应的测量方法；二是探测装置必然是导体或电介质，一旦放入静电场，将会产生感应电荷，使原电场发生畸变，影响测量结果的准确性。
若用相似的电流场来模拟静电场，则可从电流场得到对应的静电场的具体分布。
如果两种物理现象在一定条件下满足同一形式的数学规律，就可将对其中一种物理现象的研究来代替对另一种物理现象的研究，这种研究方法称作模拟法。
静电场和稳恒电流场相似的理论依据是：
当空间不存在体分布的自由电荷时，各向同性的电介质中的静电场满足下列方程:
铲.於=0；jE-dl=Q
s
式中的丘为静电场的电场强度矢量。
在各向同性的导电介质中的稳恒电流场的电荷分布与时间无关，于是电荷守恒定律满足下列方程：
<^"z-dS=0；-dT=0
s
式中的亍为稳恒电流的电密度矢量。
比较上述两组方程可知，各向同性的均匀介质中静电场的电场强度亘和各向同性的导电介质中稳恒电流场的电流密度i所遵守的物理规律具有相同的数学表达式。
在相似的场源分布和相似的边界条件下，它们的解表达式也相同。
因此这两种场可以相互模拟，并且测量稳恒电流场中的电位比测量静电场中的电位要简单、易行的多。
根据欧姆定律的微分形式：
电流密度/正比于电场强度亘，即j=a-E,。
为该点的导电率。
因此可用微分欧姆定律间接地测出被模拟的电场中各点的电位，连接各等电位点作出等位线。
根据电力线与等位线的垂直关系，描绘出电力线，即可形象地了解电场情况，又加深了对电场强度、电位和电位差概念的理解。
在实验中用稳恒电流场来模拟静电场正是运用了形式上的相似性，但相似不是等同，在使用模拟法时，必须注意它的适用条件：
（1）电流场中导电介质分布必须相当于静电场中的介质分布。
（2）静电场中导体的表面是等位面，则稳恒电流场中导电体也应该是等位面，这就要求需采用良好的导体制作电极，且导电介质的电导率也不宜太大并要均匀。
（3）测定导电介质中的电位时，必须保证探测电极支路无电流通过。
三、实验仪器设备及材料
静电场描绘器直流稳压电源滑动变阻器万用欧姆表等
四、实验要求
1.预习《普通物理实验》（朱俊孔等编）中“静电场描绘”实验，回顾《电磁学》课程中的静电场与稳恒电流场的内容。
根据实验原理来比较静电场与稳恒电流场的异同，理解模拟场与被模拟场之间要满足的条件，根据内容要求确定实验方案。
2,预习思考题：
（1）为什么要用模拟法测量静电场的结构？
用电流场模拟静电场要满足什么条件？
（2）能否模拟点电荷所激发的电场？
五、实验方案
1.无线长共轴电缆之间的静电场模拟描绘；
2.填写实验报告。
【注意事项】
1.水槽由有机玻璃制成，如学生使用时摔裂等，可用氯仿CH4C/5滴
到开裂处粘接。
2.转动静电场描绘电源调节旋钮时，不要用力过大，应缓慢均匀地进行调节。
静电场描绘电源的数字表最高位显示“1”，其余的数码管不亮，表示超量程。
保险管在电源机箱后面的电源插座内，保险管为0.3A。
3.做实验时小心不要划破导电纸。
4.电极与铜导线保持良好接触，实验完后，将水槽中的自来水倒净空干。
5.学生实验全部进行完毕后，用很稀的盐酸溶液洗水槽和电极，再用自来水冲净，以便多次使用。
当用自来水做介质时，为避免直流电压长时间加在电极上,致使电极产生“极化作用”，影响电流场的分布，故实验中在两级间通以交流电压，此交流电压的有效值与直流电压的等效的，所以其模拟的效果和位置完全与直流电流场相同。
为减少用电压表测量电势时引入的系统误差，实验中要采用高内阻的交流数字电压表测量。
六、实验报告
学生实验报告的主要内容包括，对实验步骤，实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题,提出实验结论或提出自己的看法等。
【数据处理】
1.用光滑曲线将测得的各等势点连成等势线，并标出每条等势线对应的电势值。
2.在各测得的电势分布图上用虚线至少画出八条电力线的箭头方向，以及电力线与等势线的正交关系。
3.对同轴电缆的测绘结果，要将坐标纸上各等势线的电势值及相应圆环的半径的平均值填入下表，并由此作出Vr-r曲线，并计算结果相比较。
表1同轴电缆电场测试实验数据表
Vr/V2.003.004.005.006.007.008.00
rIcm
七、思考题
1.金属圆环3和圆柱A为何要与导电纸良好接触？
2.记录测量点有几种常用方法？
试比较一下.
3,火花记录点是否可非常多？
为什么？
4,怎样求等势线的平均半径值？
5根据y=lnF直线的截距和斜率，怎样算出A和3的半径？
6.在圆柱电容器中，y=lnF和”〃,/〃。
是直线关系为什么验证了E=-的
r
成立？
7.圆柱形电容器和球形电容器中场强和电势的分布是否相同？
能否用导电纸来模拟球形电容器中的电势分布？
8.如果在描绘圆柱形电容器的等势线时，所用的电压表为1.5级（即半=0.015,U”为量程电压值），若Ma和Mb很小，可以略去，求：
各种电势
等势线的半径相对不确定度.
实验二伏安法测电阻及二极管伏安特性曲线
实验类型：
设计
实验类别：
专业基础
实验学时：
3
一、实验目的
通过本实验的学习，使学生了解或掌握元器件伏安特性的测量方法。
二、实验要求
根据实验室中给出的仪器设备，自行设计测量电路，包括选用仪器，确定测量电路，测量条件，实验步骤等。
要求尽量减小误差，测量中不要使电表过载。
三、实验仪器设备及材料
电阻元件，伏安特性测试仪，电流表，电压表，滑线变阻器.
四、实验原理
某电学元件两端加上直流电压U,在元件中就会有电流/通过，通过元件的电流与端电压之间的关系称为电学元件的伏安特性。
若以电压为横坐标，以电流为纵坐标，作出电流/随电压U变化的关系曲线，称作电学元件的伏安特性曲线。
对于碳膜电阻、线绕电阻等电学元件，在通常情况下的伏安特性曲线是一条直线。
这类元件称作线性元件，其电阻称作线性电阻。
晶体二极管有正、负两极，正极由P型半导体引出，负极由N型半导体引出，其P-N结具有单向导电性。
二极管的伏安特性是非线性的，因此，二极管是非线性元件，其电阻称为非线性电阻。
五、实验方案
由学生自行设计实验方案。
【注意事项】
1.每次连接线路时要断开电源，不要带电操作。
2.拆线时应先切断电源，并拆除电源一端连线后，再拆卸其它导线，防止电源短路。
3.测量晶体二极管正向伏安特性时，毫安表读数不得超过二极管允许通过的最大正向电流值（该值由实验室给出）。
4.测量晶体二极管反向伏安特性时，加在二极管上的电压不得超过二极管允
许的最大反向电压值（该值由实验室给出）。
六、实验报告
主要内容包括，对实验步骤，实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。
【数据记录】
表1线性电阻的测量
电流表量程mA-,准确度等级；内阻Q.
电压表量程V；准确度等级；内阻Q.
〃/次数
1
2
3
4
5
6
7
8
U/V
I/mA
R/Q
待测电阻的准确值治=Q;
乙0
待测电阻的测量值斤匕=Q；
\Rl-&o|
E=xlOO%=
Rl。
表2非线性电阻的测量
毫安表量程mA；准确度等级；内阻Q.
电压表量程—V；准确度等级—；内阻—Q.
正向特性
〃/次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
U/V
I/mA
反向特性
微安表量程uA；准确度等级；内阻Q.
电压表量程V；准确度等级；内阻Q.
〃/次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
U/V
I/uA
七、思考题
1.什么叫内接法和外接法?
画图表示之。
2.为什么测二极管的反向特性一般不能用外接法？
3.研究一下你所测二极管的伏安特性曲线，试述其特性何在?
实验三电表的扩程和校准
实验类型：
设计性
实验类别：
专业基础
实验学时：
3
一、实验目的
1.掌握电表的扩程和校准的基本方法.
2.进一步认识滑线式变阻器对电路中电压、电流的调控作用.
3.学会对改装表进行校正和绘制校正曲线。
二、仪器与用具
微安表、滑线变阻器、旋转式电阻箱、直流稳压电源、毫安表、电压表、单刀单掷开关、双刀双掷开关。
三、实验方案
由学生自行设计实验方案进行下列实验
1.用比较法测量微安表的内阻
2.电流表的改装和校正
3.电压表的改装和校正
【注意事项】
1.每次实验前，应将电源调节旋钮反时针调到头。
2.做实验时，应及时装换标准表，以免烧坏电流档。
3.更换保险时，应断开总电源，以免触电。
四、实验报告
主要内容包括，对实验步骤，实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。
表1电流表的改装与校正
1.=#4；Rg=Q；改装表量程mA；Rs=Q.
I/mA
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
Isi/mA
IS2/mA
Is/mA
（4i+"2
A//mA
UI=IS-I
表2电压表的改装与校正
:
//A；Rg=Q；改装表量程V；Rh=Q.
U/V
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
0.800
0.900
1.000
%/V（O~l）
Us2/V（1~O）
us/v=
（Usi+Us
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