實 驗 1 : 電 場(Electric Field) (課本實驗14)

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1 實 驗 1 : 電 場(Electric Field) (課本實驗14)
目的：測量等位面以求電荷之電場分佈 原理：庫倫靜電定律(Coulomb electrostatic law) 一試驗點電荷 Q 與一靜止點電荷q 相距 r，則所受之靜電力為 電充常數、介電常數(permittivity constant) 0  1/c2k0 = 1/[(3.00 x 108)2x4x10-7] = 8.85 x C2/(N·m2) (SI units) ko = 1/4o = 8.99 x 109 N·m2/C2

2 The dielectric constant is function of temperature, frequency, pressure.. etc.. r(T, , P,..)

3 電 場(Electric fields) -- 向量/具加成性
單點電荷之電場：靜止點電荷 q 產生之電場 多點電荷qi產生之總電場:

4 電 場(Electric fields) 電場線(electric line)的特徵：向量物理量 起於正電荷，終於負電荷
空間中任一點之電場線的切線方向為該點的電場方向 3.電場強度與單位截面積之電場線數成正比 4.導體內靜電場為零 5.無法經由實驗直接量得電場 但可經由測量空間電位的等位面，以推導電場的分佈情形 實線：電力線 虛線：等電位線

5 Rules for Drawing Electric Field Lines -Proposed by M
Rules for Drawing Electric Field Lines -Proposed by M. Faraday -A useful tool to describe the direction and intensity of the electric field and its description. The lines must begin on a positive charge and terminate on a negative charge. In the case of an excess of one type of charge, some lines will begin or end infinitely far away The number of lines drawn leaving a positive charge or approaching a negative charge is proportional to the magnitude of the charge. Field lines always cannot intersect.

6 各種電荷分佈產生之總電場 (導體內靜電場為零) (a)荷正電荷的點電源 (b)荷負電荷的點電源 (c)荷正負電荷的雙點電源
(f)帶均勻正負電荷的無限大平行電荷板 (d)荷正電荷的雙點電源 (e)帶均勻正電荷的電荷板 (g)帶均勻正負電荷的有限平行電荷板

7 電位(Electric Potential)-A scale physical quantity
多點電荷qi之總電位： 具純量加成性 絕對電位不重要，相對電位才有實質的物理意義，通常以無限遠為零電位的參考點 電場中，a, b二點間的電位差 積分與路徑無關 等位面(equipotential surface)：相同電位連接而成形成的面 等位面與電力場線互相垂直 實線：電力線 虛線：等電位線

8 E lines and V surface for an Infinite Sheet of Charge
The equipotential lines are the dashed blue lines The electric field lines are the brown lines The equipotential lines are everywhere perpendicular to the field lines E and V for a Point Charge E lines and V surface for an Infinite Sheet of Charge E and V for a Dipole

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10 等電位面與電場分佈測量實驗 目的：測量不同形狀的導電電極所產生的等位面分佈圖，並用以描繪出這些電荷源的電力線和電場分佈曲線。 實驗器材
實驗裝置圖和測量式意圖 各種不同電極形狀之電荷和電位源 (1) 電源供應器(source) (2) 電流檢測器(detector) (3) U-型探針(U-probe) (4) 電位描繪記錄紙(drawing paper) (a) 點狀偶極電極 (b) 平行電容板 (c) 法拉地冰桶 (d) 一端張開的平行板 (e) 點與直線 實驗器材 電位分配用之電阻器

11 電力場線和等位線分佈:不同形狀之導電電極板
(a) 點狀偶極電極 (b) 平行電容板 (c) 法拉地”冰桶” (d) 一端張開的平行板 (e) 點與直線

12 電流檢測器 (current detector) 直流電壓供應器(Source)
電位分配用之電阻器 電流檢測器 (current detector) U-型探針(U-tape probe) 電位描繪記錄圖 (draft A4-paper) 直流電壓供應器(Source)

13 實 驗 1 : 電 場(課本實驗14) 目的：觀察各種電荷分佈的電場，描繪電場中的等位線和電力線。
儀器：電場描繪板3個 、 U型探針 、 9個阻值1k Ω 串聯在一起的電阻 、電源供應器、 檢流計 、三用電表 、自備白紙。

14 實 驗 步 驟 : 選擇如圖1所示的任一個電場描繪板，其上固定一對點狀導體模板。將X，Y接到電源兩端如圖所示，則電荷流至到導體上，在兩導體間建立電場(或電力線) 。 將一白紙釘於電場描繪板上，將檢流計一端接於U型探針，另一端接於串聯電阻器中的某一接點如圖中的C點。 U型探針在紙上移動，找尋令檢流計讀數為零之點，此點之電位和C點相等。 繼續尋找一連串和C點等電位之點，以線連接成一條和C點等電位之等位線C’C’ 。 重覆步驟2找尋和圖1中B點和D、E、F、G…….等點等電位的等位線(至少找出6條以上等位線，請散開在電場內各處，不要侷限在某一角落，否則不易看出整個電場的強度分怖狀況) 。 因為電力線和等位線垂直，可以用虛線將電力線描繪出來。 適當選擇數條等位線，量出每條等位線和某一電極(X端或Y端)之電位差，計算電場強度的大概分怖情形。 公式:

15 實 驗 流 程 : 1. 將直流電源供應器(dc power supply-1)接於電板電容器(plate capacitor-4)的XY接頭兩端，以將電板電容器充電(q, -q)建立電場E。 注意安全及保護儀器：接電路前，確定直流電源供應器開關為關(off) (1) 電源供應器(Source) (2) 電流檢測器(ammeter) (3) 壓克力U-型探針 (U-tape probe) (4) 電位描繪記錄圖 (draft A4-paper) 實驗裝置圖

16 實驗流程: 2. 將8個具相同R值的電阻串聯器連接於電板(4)的XY接頭的兩端，即與直流電源供應器(1)並聯(相同電位差，可用三用電表測量電阻器的電阻值，參考實驗17附錄) 3. 檢流計(ammeter)(2)的正負檢測端分別接到電阻器端(圖中C點), 和U型探頭(3)上。 U型探頭於電板電場中移動。 4. 零點等電位線測量(null measurement)：在電板電場中移動U型探頭，找到兩端無電位差(V = 0), 即檢流器無電流(I = 0)的位置。移動探頭, 畫出一條零電位的等位線。 6.不同電位值的等位線：連接電阻器之端點移接A, B, C, …, H等不同的六個點, 可畫出不同電位值的等位線 7. 由等位線畫出垂直之電場線(E) 8. 換導電板形狀(不同形狀之電容器), 分別描繪其電場分佈

17 3.壓克力U-型探棒 (U-tape probe) 2. Detector (Ammeter) 電位分配用之電阻器 點電源之電位及電場描繪圖 (draft A4-paper) 3.壓克力U-型探棒 (U-tape probe)

18 實驗結果之範例