电场实验：二维空间之等位线及电力线测量 - 清华大学物理系 - 国立 .pdfVIP

電場實驗 ：二維空間之等位線及電力線測量 編者：國立清華大學物理系 一、目的 ：荷電體在空間所形成的電場 無法直接測量，通常是 經由測量分佈於空間中的等電 位面，再根據等電位面與電場間的關係，描繪出用以代表電場之電力線的分佈情 形，以進一步獲知空間中電場的資訊。本實驗利用 具碳膜及不同電極形狀的電場 描繪板來模擬二維空間中不同分佈荷電 導體之等電位線的分佈情形 ，並學習如何 描繪電力線 ，以熟悉 不同電荷分佈體的電場分佈。 二、原理 ： (一)庫倫定律 (Coulomb’s law) 自然界存在帶正電和帶負電兩種電荷，同性電荷相斥，異性電荷相吸。 真空中兩個點電 荷間的靜電作用力遵守庫倫定律： q q F k0 1 2 2 (1) r 即 兩個荷電導體間的靜電力 F 大小正比於兩荷電導體之電量 q 及 q的乘積，但和 兩電荷中心 1 2 的距離 r 成平方反比 。庫倫定律僅適用於點電荷，即當荷電導體的三維尺度遠 比兩荷電導體 間的距離小很多的情況。 在國際標準單位制(SI)中，力的單位為牛頓 (N) ，距離為公尺(m) ，電荷的單位為庫倫(C) ， (1)式中的比例常數k 值： 0 1 9 2 2 k 8.99 ×10 N ·m /C 0 4πε 0 若 兩電荷位於 介質中 ，因 介質會受電場作用產生極化(polarization) ，進而改變兩電荷間的 靜電力大小， (1)式必須改寫為： 1 q q F 1 2 2 (2) 4πκε r 0 二維電場與實驗 頁 1 式中 ε 為真空中的介電常數，κ稱為相對介電常數(dielectric constant) 。真空的相對介電常數 0 為 1 ，空氣在一大氣壓下的相對介電常數 κ 為 1.00054 ，玻璃的κ約在5~10 ；雲母片(mica) 的 κ 為 3~6 ；油的κ= 2~2.5 。對同一介質而言，介電常數會隨溫度、壓力 …等因素而變化 。 (二電力線與電場) (lines of electric force and electric field) 科學家常 以“場(field)的觀念來描述” 空間中力的作用情形。在一荷電導體附近任一點放置 一試驗電荷(test charge) q0 ，則荷電導體與試驗電荷彼此之間會 產生靜電力 。此作用力可由荷 電導體 於空間所形成的電場E ，作用於試驗電荷q的作用力 F = q E描述之。如果在空間中 0 0 作用於某一位置的試驗電荷 q0 上的靜電 力為F ，則定義該空間點的電場 (electr