電場中的等勢面及應用

華繼承

電何及帶電導體周圍存在著一種特殊物質電場。看不見摸不著，很抽象，但又客觀存在。為了形象地描述電場，我們引進了電場線，與電場線功能相似，等勢面也能形象地描繪電場。 電場中各點的電勢一般不同，但也有許多點的電勢相等。我們把電場中電勢相等的點構成的面叫作等勢面在電場中移動電荷，靜電力做的功只與電荷的起始位置和終止位止（所在點的電勢）有關，與電荷經過的路徑無關，即

。所以在同一等勢面上移動電荷時靜電力不做功。電場線和等勢面垂直，并且由電勢高的等勢面指向電勢低的等勢面。

實際測量過程中，電勢的測定比場強測定容易，在研究電場時常常先繪出等勢面的分布，再由二者是垂直關系，得到電場線的分布。下面我們通過實驗來測繪兩個等量異種電荷周圍的等勢面，從而得到具電場分布。

【實驗原理】

用導電紙上形成的穩恒電流場來模擬靜電場，當兩探針與導電紙上電勢相等的兩點接觸時，與探針相連的靈敏電流計中通過的電流為零，指針不偏轉，從而可以利用靈敏電流計找出導電紙上的等勢點，并依據等勢點描繪出等勢線。

【實驗器材】

學生電源或電池組（電壓約為6V），靈敏電流計，開關，導電紙，復寫紙，白紙，圓柱形金屬電極兩個，探針兩支，導線若干，木板一塊，圖釘，刻度尺。

【實驗步驟】

1.在平整的木板上，由下而上依次鋪放白紙、復寫紙、導電紙各一張，導電紙有導電物質的一面要向上，用圖釘把白紙、復寫紙、和導電紙一起固定在木板上。

2.在導電紙上平放兩個跟它接觸良好的圓柱形電極，兩個電極之間的距離約為10cm，將兩個電極分別與電壓約為6V的直流電源的正負極相接，作為“正電荷”和“負電荷”，再把兩根探針分別接到靈敏電流計的“+”、“-”接線柱上（如圖1所示）。

3.在導電紙上畫出兩個電極的連線，在連線上取間距大致相等的五個點作基準點c，d，e，f，g，并用探針把它們的位置復印在白紙上（如圖2所示）。

4.接通電源，將一探針跟某一基準點接觸，然后在這一基準點的一側距此基準點約1cm處再選一點，在此點將另一探針跟導電紙接觸，這時一般會看到靈敏電流計的指針發生偏轉，左右移動探針位置，可以找到一點使電流計的指針不發生偏轉，用探針把這一點位置復印在白紙上（如圖3所示）。

5.按步驟4 的方法，在這個基準點的兩側逐步由近及遠地各探測出五個等勢點，相鄰兩個等勢點之間的距離約為1cm。

6.用同樣的方法，探測出另外四個基準點的等勢點。

7.斷開電源，取出白紙，根據五個基準點的等勢點，畫出五條平滑的曲線，這就是五條等勢線（如圖4所示）。

8.根據電場線與等勢線垂直畫出對應電場線。

描繪等勢線的實驗在生產生活中用途廣泛，例如在設計電子儀器（如導波管，電子顯微鏡等）中電極的形狀、大小和相互位置時，都要利用試驗來模型測繪等勢面的形狀和分布，推知電極產生的電場情況，以便測定符合實際要求的設計方案。

電場的強弱可用等勢面形象描繪，在地理課中常用等高線來表示地勢的高低，與此相似，在電場中可用來表示電勢的高低。等勢面密的地方，電場線密，電場強。下面是等高線與等勢面的對比示意圖。endprint