實驗說明
實驗目的
- 利用導電紙上的穩定電流,找出電位相等的點,描出等位線。
- 由等位線畫出電力線,觀察電場的分布與電極形狀的關係。
- 由等位線的間距估算電場的大小 \(E \approx \Delta V/\Delta d\)。
實驗器材
碳質導電紙(印有銀電極:兩個圓點、兩條平行長條……)、直流電源供應器、三用電表(或檢流計、微安培計)、金屬探針 2 支、導線、方格紙。有些學校改用「電場形成盤」:壓克力盤裝淡食鹽水,放入金屬電極,盤下墊方格紙,原理完全相同。
原理
等位線與電力線。沿著等位線移動電荷不必作功,所以電場沒有沿著等位線的分量:電力線與等位線處處垂直,並由高電位指向低電位。等位線愈密,電場愈強:
\[ \vec E = -\nabla V \] \[ E \approx \frac{\Delta V}{\Delta d} \]
為什麼通電的導電紙能顯示電場?導電紙是一張又薄又均勻的電阻。穩定電流 \(\vec J = \sigma \vec E\)(歐姆定律,\(\sigma\) 為導電度)不能在任何地方堆積電荷,所以 \(\nabla\cdot\vec J = 0\);\(\sigma\) 均勻時就得到拉普拉斯方程式——和真空中靜電位所滿足的方程式一模一樣:
\[ \nabla\cdot\vec J = 0,\quad \vec J = \sigma\vec E = -\sigma\nabla V \] \[ \Longrightarrow\quad \frac{\partial^{2} V}{\partial x^{2}} + \frac{\partial^{2} V}{\partial y^{2}} = 0 \]
金屬電極的電阻可以忽略,各自是一個等位體(\(V_0\) 與 \(0\))。方程式相同、電極電位相同,圖形就相同:紙上的電流線就是電力線,等位線就是二維靜電問題的等位線——相當於兩根很長的平行帶電圓柱(或平板)的截面。兩個小圓形電極離紙邊很遠時,電位就是兩條線電荷的電位:
\[ V = \frac{V_0}{2} + \frac{V_0}{2\ln K}\,\ln\frac{r_-}{r_+} \]
其中 \(r_+\)、\(r_-\) 是到電極內兩個點(略偏離圓心)的距離,\(K\) 由電極大小決定。兩條平行長條從紙的一邊接到另一邊時,兩板之間的電位隨距離線性下降,電場均勻:\(E = V_0/d\)。圖形和兩個異號點電荷的電場很像,但它是二維(對數)的版本,細節不同:例如遠處的電位,二維電偶極以 \(1/r\) 遞減,而不是 \(1/r^{2}\)。
紙的邊緣。電流不能從紙邊流出去,所以紙邊上的電場與邊平行(\(\partial V/\partial n = 0\)):等位線與紙邊垂直相交,原本會向外鼓出去的電力線被擠成沿著紙邊走。所以靠近紙邊的圖形和空間中的電場不同;在大張紙的中央,差別很小。
零位法。兩探針之間的檢流計讀數為零,正好表示兩探針等電位;平衡時沒有電流流過電表,所以量測不會干擾紙上的電流。靈敏的伏特計(數位三用電表幾乎不取用電流)也可以這樣使用。
實驗步驟
- 把電極接到直流電源(左邊電極接正極),接通電源。
- 兩支探針接到電表。黑探針 N1 固定按在紙上某一點(或夾在負極上)。
- 移動紅探針 N2,直到電表讀數為零(或選定的電壓,例如 1.00 V、2.00 V……),在方格紙上記下位置。
- 在紙上不同地方找出至少 5 個這樣的點,就是一條等位線。再移動 N1(或換目標電壓),重複做下一條。
- 把同一條線的點連成平滑曲線。
- 畫電力線:從正極出發,與每一條等位線垂直相交,終止於負極;箭頭由高電位指向低電位。
- 在兩條等位線之間選一點,量出兩線的距離 \(\Delta d\),算出 \(E \approx \Delta V/\Delta d\)。
注意事項
- 探針要垂直、輕輕接觸紙面。用力壓或拖著刮,會刮傷薄薄的碳層,改變它的電阻。
- 紙要平、電極的接點要夾緊;接觸不良時電極的電位就不確定。
- 每找到一點就立刻對照紙上的方格,記到方格紙的相同位置。
- 同一條線的點要分散開來,也要包括靠近紙邊的地方,曲線才畫得準。
- 使用電場形成盤時:食鹽只放少許(濃食鹽水會被電解產生氯氣),水深不要超過電極,盤子要水平。
- 做完實驗要關掉電源。
問題與討論
- 為什麼即使檢流計沒有校準,讀數為零仍然可靠地表示兩點等電位?為什麼可以改用靈敏的伏特計?
- 為什麼你的等位線碰到紙邊時都與紙邊垂直?換成大很多的紙,等位線還會一樣嗎?
- 從你畫的圖如何看出哪裡電場最強?用 E = ΔV/Δd 在兩個地方估算來驗證。
- 為什麼電力線一定與電極表面垂直?
- 比較兩圓形電極的圖形與兩個異號點電荷的電場:哪裡相同?哪裡不同?
- 平行長條從紙的一邊接到另一邊時,為什麼電位恰好隨 x 線性變化?長條比紙短時有什麼改變?
- 如果碳層有些地方比較厚,等位線會移動嗎?(試試「含誤差」,紙的導電度會有一點不均勻。)
觀察重點
- 正中間的線:兩個相同的圓形電極,把 N1 夾到負極、找 \(V_0/2\) 的點:它們都在兩電極連線的中垂線上——對稱性。
- 電極旁最擁擠:每隔 1 V 的等位線在小電極旁很密,中間很疏。把電極半徑調小,擠得更厲害。
- 均勻電場:從紙邊接到紙邊的平行長條,等位線是等間距的直線,兩板之間處處 E = V0/d。把長條縮短,看等位線在兩端向外鼓出。
- 長條的背後:從邊到邊的長條背後沒有電流,那一整塊都和長條同電位。
- 角落:電流幾乎到不了紙的角落,那裡的電場非常弱。
-
聽聲音找零點:打開音效、選檢流計,指針離零愈遠嗡嗡聲愈大,聲音消失就是等電位——用耳朵找零點。
3D 檢視:電位地形
在 3D 中,曲面在紙上每一點的高度就是該點的電位 \(V(x, y)\)。正極把曲面撐起一塊高度 \(V_0\) 的平台,負極把曲面釘在 \(0\)。等位線就是這片地形的等高線;電場 \(\vec E = -\nabla V\) 指向最陡的下坡方向,所以電流線沿著山坡往下流,與每一條等高線垂直;坡愈陡,電場愈強。在不導電的紙邊,曲面垂直於紙邊的方向是平的(沒有坡度)。
模擬方法
- 導電紙(30 cm × 20 cm)鋪上間距 0.125 cm 的方格網,以有限體積法寫出拉普拉斯方程式 \(\nabla\cdot(\sigma\nabla V) = 0\):電極是固定電位,紙邊沒有電流流出。圓形電極切過格線的地方,用到圓周的實際距離(Gibou 等人的對稱二階方法)。方程式用「以多重網格 V 循環為前置條件的共軛梯度法」求解,每一種電極設定解一次;單元測試把結果與「邊到邊平行長條的線性電位」以及「兩條線電荷與其鏡像」的解析解比較。
- 格點之間的電位與電場用內插求得。方程式是線性的,所以只解 1 V 的情形,再乘以電源電壓。
- 導電紙的面電阻 Rs = 5 kΩ/□(一般碳質紙的數量級);電源電流是流過紙中線的總電流。三用電表讀到 0.01 V,不取用電流。檢流計滿刻度 ±50 μA,迴路總電阻 50 kΩ(電表加探針接觸電阻);接近零時取用的微小電流忽略不計。
- 「含誤差」:導電紙的導電度有約 ±4 % 的平滑起伏(每次開啟換一張隨機的紙)、電表有小小的零點偏差(最多 ±0.015 V)且最後一位會跳動(標準差 0.008 V;檢流計 0.15 μA),每一點描到方格紙上時有約 0.05 cm 的隨機誤差。「計算值」永遠是目前這張紙的真實值。
- 由數據畫電力線:只用量到的資料——電極(V0 與 0)與每一條量測線上的點當作已知電位,中間的電位用「最平滑」的方式補起來(在粗網格上解拉普拉斯方程式,紙邊不導電)。量測線就是這個補好的電位的等高線,沿下坡方向畫出的線自然與每一條量測線垂直。起點放在電位最接近電源一半的量測線上,間隔讓相鄰兩線之間流過的電流相等(電場愈強,線愈密),再往兩邊畫到電極。計算的電流線也用同樣的方式分配。
- 3D 地形使用同一個數值解(每隔一個格點取一點),以 three.js 函式庫(MIT 授權)繪製,只有切換到 3D 時才會下載。
參考資料