静电场范文10篇

静电场范文篇1

[关键词]静电场描绘仪改进

静电场描：绘实验是高等院校普遍开设的一个基本的电磁学实验，因为直接测量静电场会因测量仪器的介入导致原静电场发生畸变而对其测量带来很大的困难，而稳恒电流场在导体中的分布规律和真空中静电场电势的分布规律完全相似。因此，通常是用稳恒电流场来模拟静电场，称这种方法为模拟法描绘静电场。

传统的静：电场描绘实验装置中，电极之问的导电介质通常用导电纸。目前，也有不少装置采用水来代替导电纸，但这两种方法均存在一系列的缺陷，导致描绘误差太大，严重影响了实验的效果。

针对以上两种介质存在的问题，我们对静电场描绘仪作了改进：以镀有ITO膜的导电玻璃作为电极之间的导电介质，采用双层探针直接记录各等势点坐标，通过描点的方法来描绘电场。我们对改进后的静电场描绘仪进行反复试验，效果很理想。

一、理论依据

导电介质中稳恒电流场和真空中静电场的电势都满足拉普拉斯方程。给定边值的拉普拉斯方程有唯一解，如果这两种处于相同的边值条件下，则它们的解是相同的。因而，可以用均匀导电介质中的电流场来模拟真空中具有相应分布的静电场。

两个通以稳恒电流的同心圆环电极可以用来模拟两个带等量异号电荷的无限长同轴圆柱面问的电场分布。很容易证明在这种情况下有式中a，b分别为内外圆环电极的半径，Ua为两极间的电势差，u为稳恒电流场中距圆心r处的电势。

二、传统的描绘仪及其存在的缺陷

传统的静电场描绘仪如图所示，一般有两种做法一种是采用涂有石墨的导电纸作为电介质，通过探针和定位针，实现定量记录和数据分析，另一种是用水来代替导电纸作电介质，方法是在一个透明的有机玻璃水槽中固定电极，然后在水槽中装上适量的水，放到实验架的下层进行实验。1．前一种描绘仪存在的缺陷

(1)导电纸上导电薄层涂得不均匀，导电纸电阻在各个方向均匀性较差，这样电流场分布与被模拟静电场分布不完全一样，使得实验准确度，重复性较差。

(2)电极与导电纸的接触不均匀以及探针与导电纸的接触因人次数而异，使得接触电阻不稳定，影响描绘结果。

(3)测量时，探针在导电纸点接触移动且重复接触，使得导电纸破损，这样一方面直接影响导电纸的导电性能，影响实验效果，另一方面影响导电纸的使用寿命，频繁更换导电纸，加大实验成本。

由于存在这些缺陷，所以用此描绘仪测得的结果误差比较大，模拟静电场的效果不是很理想。是用一张全新的导电纸作为电介质模拟的结果。若为反复使用过的导电纸，误差更大。

2．后一种描绘仪存在的缺陷

以水作为电介质可以减少导电纸电介质的不足，但由于水自身的特点，不可避免存在以下的缺陷：

(1)水是弱电解质，在外加直流电源的作用下，电解产生氢气和氧气，这些气体以气泡的形式附在电极表面。这样，一方面使得内、外电极表面区域偏离模拟条件，另一方面氧气会使阳极表面氧化，覆盖在电极上的氧化层与水的电阻率不同，影响模拟效果。再者，未电解的离子也会产生与外电压方向相反的电压来破坏模拟条件。

(2)水是有极分子，在外电场作用下产生位移极化和取向极化。两种极化都使得内外电极表面出现束缚电荷，束缚电荷要在水介质内产生与外电场方向相反的附加电场，因此破坏了模拟条件。

(3)每次实验都要更换水槽中的水，且水槽中水的多少还影响模拟的效果，这样给学生实验带来极大的不方便。

因此，用水作为电介质来做这个实验也不是很理想。

三、改进的描绘仪及其优点

针对上述传统描绘仪的缺陷，我们对传统静电场描绘仪作了一些改进。我们的做法是选用合适的镀有ITO膜的导电玻璃来代替传统的导电纸或水，将其作为两电极问的电介质。我们选用的这种电介质和传统的两种电介质相比，至少具有以下优点：

1．ITO膜导电层是采用真空镀膜技术形成的，表面均匀性和电阻均匀度均较好，模拟条件良好，提高了实验的准确性。

2．ITO膜导电层耐磨性好，不会因为和探针的反复接触而被破坏，这样既提高了实验的可重复性，又避免了频繁更换实验耗材，延长了仪器的使用寿命，节约了实验成本。

3．用ITO膜的导电玻璃代替水作为电介质，可以完全克服水的缺点，达到最佳的模拟条件。

静电场范文篇2

[关键词]静电场描绘仪改进

静电场描：绘实验是高等院校普遍开设的一个基本的电磁学实验，因为直接测量静电场会因测量仪器的介入导致原静电场发生畸变而对其测量带来很大的困难，而稳恒电流场在导体中的分布规律和真空中静电场电势的分布规律完全相似。因此，通常是用稳恒电流场来模拟静电场，称这种方法为模拟法描绘静电场。

传统的静：电场描绘实验装置中，电极之问的导电介质通常用导电纸。目前，也有不少装置采用水来代替导电纸，但这两种方法均存在一系列的缺陷，导致描绘误差太大，严重影响了实验的效果。

针对以上两种介质存在的问题，我们对静电场描绘仪作了改进：以镀有ITO膜的导电玻璃作为电极之间的导电介质，采用双层探针直接记录各等势点坐标，通过描点的方法来描绘电场。我们对改进后的静电场描绘仪进行反复试验，效果很理想。

一、理论依据

导电介质中稳恒电流场和真空中静电场的电势都满足拉普拉斯方程。给定边值的拉普拉斯方程有唯一解，如果这两种处于相同的边值条件下，则它们的解是相同的。因而，可以用均匀导电介质中的电流场来模拟真空中具有相应分布的静电场。

两个通以稳恒电流的同心圆环电极可以用来模拟两个带等量异号电荷的无限长同轴圆柱面问的电场分布。很容易证明在这种情况下有式中a，b分别为内外圆环电极的半径，Ua为两极间的电势差，u为稳恒电流场中距圆心r处的电势。

二、传统的描绘仪及其存在的缺陷

传统的静电场描绘仪如图所示，一般有两种做法一种是采用涂有石墨的导电纸作为电介质，通过探针和定位针，实现定量记录和数据分析，另一种是用水来代替导电纸作电介质，方法是在一个透明的有机玻璃水槽中固定电极，然后在水槽中装上适量的水，放到实验架的下层进行实验。1．前一种描绘仪存在的缺陷

(1)导电纸上导电薄层涂得不均匀，导电纸电阻在各个方向均匀性较差，这样电流场分布与被模拟静电场分布不完全一样，使得实验准确度，重复性较差。

(2)电极与导电纸的接触不均匀以及探针与导电纸的接触因人次数而异，使得接触电阻不稳定，影响描绘结果。

(3)测量时，探针在导电纸点接触移动且重复接触，使得导电纸破损，这样一方面直接影响导电纸的导电性能，影响实验效果，另一方面影响导电纸的使用寿命，频繁更换导电纸，加大实验成本。

由于存在这些缺陷，所以用此描绘仪测得的结果误差比较大，模拟静电场的效果不是很理想。是用一张全新的导电纸作为电介质模拟的结果。若为反复使用过的导电纸，误差更大。

2．后一种描绘仪存在的缺陷

以水作为电介质可以减少导电纸电介质的不足，但由于水自身的特点，不可避免存在以下的缺陷：

(1)水是弱电解质，在外加直流电源的作用下，电解产生氢气和氧气，这些气体以气泡的形式附在电极表面。这样，一方面使得内、外电极表面区域偏离模拟条件，另一方面氧气会使阳极表面氧化，覆盖在电极上的氧化层与水的电阻率不同，影响模拟效果。再者，未电解的离子也会产生与外电压方向相反的电压来破坏模拟条件。

(2)水是有极分子，在外电场作用下产生位移极化和取向极化。两种极化都使得内外电极表面出现束缚电荷，束缚电荷要在水介质内产生与外电场方向相反的附加电场，因此破坏了模拟条件。

(3)每次实验都要更换水槽中的水，且水槽中水的多少还影响模拟的效果，这样给学生实验带来极大的不方便。

因此，用水作为电介质来做这个实验也不是很理想。

三、改进的描绘仪及其优点

针对上述传统描绘仪的缺陷，我们对传统静电场描绘仪作了一些改进。我们的做法是选用合适的镀有ITO膜的导电玻璃来代替传统的导电纸或水，将其作为两电极问的电介质。我们选用的这种电介质和传统的两种电介质相比，至少具有以下优点：

1．ITO膜导电层是采用真空镀膜技术形成的，表面均匀性和电阻均匀度均较好，模拟条件良好，提高了实验的准确性。

2．ITO膜导电层耐磨性好，不会因为和探针的反复接触而被破坏，这样既提高了实验的可重复性，又避免了频繁更换实验耗材，延长了仪器的使用寿命，节约了实验成本。

3．用ITO膜的导电玻璃代替水作为电介质，可以完全克服水的缺点，达到最佳的模拟条件。

静电场范文篇3

[关键词]静电场描绘仪改进

静电场描：绘实验是高等院校普遍开设的一个基本的电磁学实验，因为直接测量静电场会因测量仪器的介入导致原静电场发生畸变而对其测量带来很大的困难，而稳恒电流场在导体中的分布规律和真空中静电场电势的分布规律完全相似。因此，通常是用稳恒电流场来模拟静电场，称这种方法为模拟法描绘静电场。

传统的静：电场描绘实验装置中，电极之问的导电介质通常用导电纸。目前，也有不少装置采用水来代替导电纸，但这两种方法均存在一系列的缺陷，导致描绘误差太大，严重影响了实验的效果。

针对以上两种介质存在的问题，我们对静电场描绘仪作了改进：以镀有ITO膜的导电玻璃作为电极之间的导电介质，采用双层探针直接记录各等势点坐标，通过描点的方法来描绘电场。我们对改进后的静电场描绘仪进行反复试验，效果很理想。

一、理论依据

导电介质中稳恒电流场和真空中静电场的电势都满足拉普拉斯方程。给定边值的拉普拉斯方程有唯一解，如果这两种处于相同的边值条件下，则它们的解是相同的。因而，可以用均匀导电介质中的电流场来模拟真空中具有相应分布的静电场。

两个通以稳恒电流的同心圆环电极可以用来模拟两个带等量异号电荷的无限长同轴圆柱面问的电场分布。很容易证明在这种情况下有式中a，b分别为内外圆环电极的半径，Ua为两极间的电势差，u为稳恒电流场中距圆心r处的电势。

二、传统的描绘仪及其存在的缺陷

传统的静电场描绘仪如图所示，一般有两种做法一种是采用涂有石墨的导电纸作为电介质，通过探针和定位针，实现定量记录和数据分析，另一种是用水来代替导电纸作电介质，方法是在一个透明的有机玻璃水槽中固定电极，然后在水槽中装上适量的水，放到实验架的下层进行实验。

1．前一种描绘仪存在的缺陷

(1)导电纸上导电薄层涂得不均匀，导电纸电阻在各个方向均匀性较差，这样电流场分布与被模拟静电场分布不完全一样，使得实验准确度，重复性较差。

(2)电极与导电纸的接触不均匀以及探针与导电纸的接触因人次数而异，使得接触电阻不稳定，影响描绘结果。

(3)测量时，探针在导电纸点接触移动且重复接触，使得导电纸破损，这样一方面直接影响导电纸的导电性能，影响实验效果，另一方面影响导电纸的使用寿命，频繁更换导电纸，加大实验成本。

由于存在这些缺陷，所以用此描绘仪测得的结果误差比较大，模拟静电场的效果不是很理想。是用一张全新的导电纸作为电介质模拟的结果。若为反复使用过的导电纸，误差更大。

2．后一种描绘仪存在的缺陷

以水作为电介质可以减少导电纸电介质的不足，但由于水自身的特点，不可避免存在以下的缺陷：

(1)水是弱电解质，在外加直流电源的作用下，电解产生氢气和氧气，这些气体以气泡的形式附在电极表面。这样，一方面使得内、外电极表面区域偏离模拟条件，另一方面氧气会使阳极表面氧化，覆盖在电极上的氧化层与水的电阻率不同，影响模拟效果。再者，未电解的离子也会产生与外电压方向相反的电压来破坏模拟条件。

(2)水是有极分子，在外电场作用下产生位移极化和取向极化。两种极化都使得内外电极表面出现束缚电荷，束缚电荷要在水介质内产生与外电场方向相反的附加电场，因此破坏了模拟条件。

(3)每次实验都要更换水槽中的水，且水槽中水的多少还影响模拟的效果，这样给学生实验带来极大的不方便。

因此，用水作为电介质来做这个实验也不是很理想。

三、改进的描绘仪及其优点

针对上述传统描绘仪的缺陷，我们对传统静电场描绘仪作了一些改进。我们的做法是选用合适的镀有ITO膜的导电玻璃来代替传统的导电纸或水，将其作为两电极问的电介质。我们选用的这种电介质和传统的两种电介质相比，至少具有以下优点：

1．ITO膜导电层是采用真空镀膜技术形成的，表面均匀性和电阻均匀度均较好，模拟条件良好，提高了实验的准确性。

2．ITO膜导电层耐磨性好，不会因为和探针的反复接触而被破坏，这样既提高了实验的可重复性，又避免了频繁更换实验耗材，延长了仪器的使用寿命，节约了实验成本。

3．用ITO膜的导电玻璃代替水作为电介质，可以完全克服水的缺点，达到最佳的模拟条件。

静电场范文篇4

[关键词]静电场描绘仪改进

静电场描：绘实验是高等院校普遍开设的一个基本的电磁学实验，因为直接测量静电场会因测量仪器的介入导致原静电场发生畸变而对其测量带来很大的困难，而稳恒电流场在导体中的分布规律和真空中静电场电势的分布规律完全相似。因此，通常是用稳恒电流场来模拟静电场，称这种方法为模拟法描绘静电场。

传统的静：电场描绘实验装置中，电极之问的导电介质通常用导电纸。目前，也有不少装置采用水来代替导电纸，但这两种方法均存在一系列的缺陷，导致描绘误差太大，严重影响了实验的效果。

针对以上两种介质存在的问题，我们对静电场描绘仪作了改进：以镀有ITO膜的导电玻璃作为电极之间的导电介质，采用双层探针直接记录各等势点坐标，通过描点的方法来描绘电场。我们对改进后的静电场描绘仪进行反复试验，效果很理想。

一、理论依据

导电介质中稳恒电流场和真空中静电场的电势都满足拉普拉斯方程。给定边值的拉普拉斯方程有唯一解，如果这两种处于相同的边值条件下，则它们的解是相同的。因而，可以用均匀导电介质中的电流场来模拟真空中具有相应分布的静电场。

两个通以稳恒电流的同心圆环电极可以用来模拟两个带等量异号电荷的无限长同轴圆柱面问的电场分布。很容易证明在这种情况下有式中a，b分别为内外圆环电极的半径，Ua为两极间的电势差，u为稳恒电流场中距圆心r处的电势。

二、传统的描绘仪及其存在的缺陷

传统的静电场描绘仪如图所示，一般有两种做法一种是采用涂有石墨的导电纸作为电介质，通过探针和定位针，实现定量记录和数据分析，另一种是用水来代替导电纸作电介质，方法是在一个透明的有机玻璃水槽中固定电极，然后在水槽中装上适量的水，放到实验架的下层进行实验。

1．前一种描绘仪存在的缺陷

(1)导电纸上导电薄层涂得不均匀，导电纸电阻在各个方向均匀性较差，这样电流场分布与被模拟静电场分布不完全一样，使得实验准确度，重复性较差。

(2)电极与导电纸的接触不均匀以及探针与导电纸的接触因人次数而异，使得接触电阻不稳定，影响描绘结果。

(3)测量时，探针在导电纸点接触移动且重复接触，使得导电纸破损，这样一方面直接影响导电纸的导电性能，影响实验效果，另一方面影响导电纸的使用寿命，频繁更换导电纸，加大实验成本。

由于存在这些缺陷，所以用此描绘仪测得的结果误差比较大，模拟静电场的效果不是很理想。是用一张全新的导电纸作为电介质模拟的结果。若为反复使用过的导电纸，误差更大。

2．后一种描绘仪存在的缺陷

以水作为电介质可以减少导电纸电介质的不足，但由于水自身的特点，不可避免存在以下的缺陷：

(1)水是弱电解质，在外加直流电源的作用下，电解产生氢气和氧气，这些气体以气泡的形式附在电极表面。这样，一方面使得内、外电极表面区域偏离模拟条件，另一方面氧气会使阳极表面氧化，覆盖在电极上的氧化层与水的电阻率不同，影响模拟效果。再者，未电解的离子也会产生与外电压方向相反的电压来破坏模拟条件。

(2)水是有极分子，在外电场作用下产生位移极化和取向极化。两种极化都使得内外电极表面出现束缚电荷，束缚电荷要在水介质内产生与外电场方向相反的附加电场，因此破坏了模拟条件。

(3)每次实验都要更换水槽中的水，且水槽中水的多少还影响模拟的效果，这样给学生实验带来极大的不方便。公务员之家

因此，用水作为电介质来做这个实验也不是很理想。

三、改进的描绘仪及其优点

针对上述传统描绘仪的缺陷，我们对传统静电场描绘仪作了一些改进。我们的做法是选用合适的镀有ITO膜的导电玻璃来代替传统的导电纸或水，将其作为两电极问的电介质。我们选用的这种电介质和传统的两种电介质相比，至少具有以下优点：

1．ITO膜导电层是采用真空镀膜技术形成的，表面均匀性和电阻均匀度均较好，模拟条件良好，提高了实验的准确性。

2．ITO膜导电层耐磨性好，不会因为和探针的反复接触而被破坏，这样既提高了实验的可重复性，又避免了频繁更换实验耗材，延长了仪器的使用寿命，节约了实验成本。

3．用ITO膜的导电玻璃代替水作为电介质，可以完全克服水的缺点，达到最佳的模拟条件。

静电场范文篇5

【关键词】静电场；高斯定理；知识点；分析

电磁学是理工科学生必修课程“大学物理”中的重要内容，静电场高斯定理是电磁学中一个非常重要的内容，是学生学习对矢量场特性分析的第一个知识点。只有掌握了静电场高斯定理，学生才能比较有效地开展电磁学后续内容的学习。但是，由于电场和磁场是抽象的物理概念，它们本身是看不见的客观存，很多学生对于理解电场、磁场的规律和特性，存在一定的困难。同时，由于高校普遍对“大学物理”理论课的课时进行压缩，使一些重要的概念和定理的推导过程被“侵蚀”。因此，如何能利用有限的时间高效地把理论知识阐述在课堂上，是教师要考虑的一个重要问题。通过对知识点的分析梳理，结合多年以来的教学经验，对于静电场高斯定理的讲解，可以几个基本概念为要点，以层次化的递进方式进行讲解，最后推导得到静电场高斯定理的内容（图1）。

一、对电场线与电通量的讲解

由于电场是看不到的，人们使用电场线比较直观地描述电场在空间的分布，在空间某点上，电场线的方向，即是该点的电场方向；电场线的密度，即是该点的电场强度大小。如果在空间中定义一个面（平面或曲面），电场线就有可能穿过这个面，穿过该面的电场线的数量，就是这个面的电场强度通量，简称——电通量，用Φ_e表示。如图2所示，在均匀电场中的某个平面，其电通量的计算可以使用面积与电场强度的点积进行计算；其中为平面的法向单位矢量。在这一部分的讲解，要抓住电场强度、电场线、电通量这几个物理概念之间的联系，在巩固旧知的基础上，通过旧知之间的联系扩展得到对新知识的认知和理解。

二、对面积元、面积元上的电通量的讲解

可以通过把均匀场、平面的电通量计算扩展为非均匀场或曲面的情况，通过提出问题的方式，导引出面积元的概念和面积元电通量的计算方法。如图3所示，一个指定的面，可以划分为无限个组成部分，每个组成部分，即是一个面积无限小的面——面积元。面积元是一个矢量，它的方向取法向方向。面积元用表示。由于面积元的面积无限小，在面积元上的电场强度，可以看作是均匀电场。因此，面积元上的电通量可以使用均匀场和平面的方式进行计算。即：对于面积元的方向，还要进行补充的说明：由于面积元是矢量，拥有方向，可以把所分隔的空间分为“里面”和“外面”，如图4所示。通过矢量的运算规划，说明电通量的取值可以是正的，也可以是负的：当面积元上的电场与面积元方向成锐角的时候，电场线是由里向外从面积元“穿出”，产生正的通量；当面积元上的电场与面积元方向成钝角的时候，电场线是由外向里从面积元“穿入”，产生负的通量。对于正、负通量所代表的物理含义，是理解静电场高斯定理的一个重要基础。

三、对面积元电通量之和——整个面的电通量计算方法的讲解

由于整个面是由面积元组成，把每个面积元上的电通量求和，即可以得到整个面的电通量，即：并且n→∞，上式其实就是面积元的电通量对整个面的定积分，即由此，推导出一般情况下，整个面的电通量的计算方法。

四、对高斯面的定义及其选择问题的讲解

高斯面是一种闭合面。在空间中选择一个特定的高斯面，就会把空间分为高斯面“内”和高斯面“外”的2个部分。高斯面上的各个面积元的方向，是从“内”指向“外”的法向方向。在此，建立起高斯面的“内”“外”与面积元的“内”“外”之间的联系。在一些特定的情况下，根据电荷分布的对称性，可知电场分布也具有对称性，再根据电场空间分布的特性选择适当的高斯面，可以使高斯面的电通量计算得到极大的简化。三种典型的电荷分布对称的情况分别是：球对称性、轴对称性和面对称性，根据不同对称性的特点，可以按图5选择不同的高斯面由电场的分布情况和高斯面的选取情况来看，高斯面上的面积元方向与电场强度的方向有2种情况，分别是垂直和同向（或反向）。当面积元方向与电场强度方向垂直时，面各元上的电通量为零；当面积元方向与电场强度方向同向（或反向）时，电通量的绝对值为两矢量的模相乘。并且，由于对称，高斯面上能产生电通量的面积元上的电场强度大小是相等的，极大简化了计算的过程。

五、对静电场高斯定理的推导

可以通过对点电荷电场在闭合面上造成的电通量的计算问题，推导得到静电场高斯定理。如图6所示，空间中有一点电荷Q，求包裹在Q外的不规则闭合面的电通量。可以以Q为球心，建立半径为R的球面高斯面，球面高斯面把不规则闭合面包裹在其中，电荷Q所激发电场的电场线如果从球面高斯面穿出，则必然也会从不规则闭合面穿出。因此，把求解不规则闭合面的电通量的问题，转换为求球面高斯面电通量的问题。𝐸𝐸�⃑由于电荷Q处于球面高斯面的中心，Q所激发的电场在球面高斯面上大小处处相等，并与球面高斯面上各点面积元的方向同向。因此，求解电通量的计算就极为简化了。此结论不仅适合于闭合面包裹住单个点电荷的情况，也适合于闭合面包裹住多个点电荷或连续带电体等的一般情况。这就导出了静电场高斯定理的内容，即：在此处，要对静电场高斯定理中的各个物理量的涵义进行现次的梳理和强调，帮助学生加深认识。

六、对于静电场高斯定理的讨论及应用

在推导得到静电场高斯定理后，要及时进行分析讨论，得到和印证静电场的一些特性。通过这样的讨论，也可达到巩固学生学习效果的作用。在讨论的过程中，还要注意讲解电场强度与闭合面电通量的决定因素是不同的：闭合面上的电通量，只与被闭合面包裹在里边的电荷量有关，与闭合面外的电荷无关；闭合面上每一点的电场强度，却是由空间中所有电荷所共同决定的。在这个部分，可以使用举例的方法，如图7所示，点电荷位于闭合面外，点电荷电场在闭合面上有多少根电场线穿入，就必有多少根穿出，因此，处于闭合面外部的点电荷所激发的电场，在闭合面上造成的电通量为零。𝑄𝑄通过对静电场高斯定理的讨论，进一步介绍静电场是有源场，也印证了电场线从正电荷出发、负电荷终止的这一特点。最后，介绍静电场高斯定理的重要应用方向：在电荷分布具有对称性的一些情况下，使用其求解电场强度分布，可以大大地减少计算量。并配以经典例题进行讲解。高斯定理是对矢量场进行分析的一个重要工具。静电场高斯定理在“大学物理”课程体系里，是首个使用高斯定理分析矢量场的案例，是一个重要的方法。同时，静电场高斯定理揭示了静电场是有源场的特性，是电磁学中的重要基础理论。作为重要的方法与重要的定理，学生必须掌握静电场高斯定理。实践证明，从电场线、电通量、面积元等几个基本物理概念出发，使用分层次、递进式的讲解方法，逻辑比较清楚，推导过程较有说服力，对于学生更好地理解静电场高斯定理有一定的帮助。

【参考文献】

[1]彭婷，吴维宁，蔡亚璇.电磁学高斯定理学习状况的研究[J].教育教学论坛，2020(2):334-335.

[2]何健.浅论“高斯定理”的二维平面场表述形式[J].内江科技，2018(01):115-116.

[3]刘斌.关于高斯定理和环路定理的一些探讨[J].课程教育研究，2017(43):157-158.

[4]刘熹微,罗贤清.少学时大学物理教学改革探讨[J].科技资讯，2011(26):191-192.

[5]江军.关于大学物理“高斯定理内容”教学的探讨[J].教育教学论坛，2016(26):189-190.

[6]路俊哲，武盼盼，柏云凤，热孜宛古丽，闵梦婷.浅谈高斯定理中高斯面的确定方法[J].喀什大学学报，2016(06):23-25.

静电场范文篇6

1.1静电平衡状态中的非静电力。导体静电平衡的必要条件是导体内部宏观点的场强应该处处为零。但必须特别注意，只有在导体内部的电荷不受任何非静电力的作用时才是如此。否则，导体内场强不是处处为零的。例如，一金属AB，在均匀磁场中作匀速运动，运动方向和磁场方向（×表示B垂直纸面向里），金属棒内的自由电子受到洛仑兹力的作用，而堆积在B端，使B端带负电，A端带正电。于是AB间产生静电场。当作用于自由电子的静电场力与洛仑兹力平衡时，此金属棒（仍以V作匀速运动）才处于静电平衡状态,导体内不再有电荷相对于导体作宏观运动。这时，导体内部的静电场并不为零。

稍后，将分析化学电池的内、外电路中的电场。我们确信，当化学电池断路时，两极各带正、负电荷，电池系数处于静电平衡，在电池内部，作用于电荷的静电力与非静电力平衡，合力为零，但电池内部的静电场强并不处处为零。

1.2稳恒电路中的非静电力。由安培定理知道：纯静电系统的平衡是不稳定的，放电电流也是不稳定的。要获得稳定的电流，在系统内必须同时有非静电力对电荷的作用存在。

已充电的平行板电容器与电阻R连接成回路，放电电流是非稳恒的，电容器的静电能量转换成电流通过R时的焦耳热，而且能量很快释放完毕，于是电流停止，电容器A，B极板上的正负电荷完全中和，欲使回路中的电流稳恒，根据稳恒电流必须满足的条件在回路中任作一闭合曲面，其内的电荷对时间的变化率成为零，也可以说回路中处处的电荷分布不随时间变化，但电荷可以移动。因而我们设想，带正电的A板与带负电的B板之间存在着某种外来的非静电力，它反抗A，B板间的静电力，及时地从B板取走正电荷，使B板失去正电荷而获得等量的负电荷，恰好补偿了B板在放电过程中损失的负电荷，使B板的电荷分布不随时间变化。同时，非静电力把从B板取走的正电荷及时地传给了A板，使A板在放电过程中的电荷分布也不随时间变化。这样可以使这个含有非静电力的回路保持稳恒电流。非静电力在B板取走正电荷，并反抗AB板间的静电力把正电荷传递给A板所做的功，转化成了回路中稳恒电流释放的电能以及形成稳恒电流的初始暂态过程中，回路所积聚的磁场能。具有这种非静电力的能源装置，我们称它为电源。

1.3非静电力的物理本质。我们讨论一些常见的电源内出现的非静电力。如导体在稳定的磁场中作切割磁感应线的运动，导体中自由电子所受到的非静电力是洛仑兹力（磁场对运动电荷的作用力）；导体在变化着的磁场产生的感生电场（不具有位场性质，是一非静电的电场）力；导体在变化着的磁场中运动，自由电子所受到的非静电力，既有洛仑兹力，又有感生电场力；如果性质不均匀，如化学性质不均匀（化学电池），物理性质不均匀（温差电池等），电池内的电荷可以宏观迁移，伴随有能量的传换。所有这些都可以归结为非静电力的作用。

在化学电池中，金属与电解质相接触的地方，导体的化学性质就不均匀。由于化学作用，发生电荷的宏观迁移，化学能转换成电能。我们可以说，这是由于某种“化学力”的作用所致，这种化学力便是非静电力。由此可见，非静电力可以有许多不同原因产生，各自的物理本质也不相同。洛仑兹力、感生电场力等非静电力是一种有质动力，或者说是真实的力，而“化学力”这种非静电力则是唯象的，是与力等效的作用，这些力并非来源于静电荷，它们不遵守库仑定律，但又可使电荷运动，故统称为非静电力。从场的观点看，直接与电荷相作用的是电场力，因此作用于电荷的非静电力，也可以归结为一种非静电起源的电场作用，从而引入了非静电起源的电场（简称非静电场）这一概念。感生电场是一种非静电场，但是感生电场是一种真实的电场，由于它与静电场的性质不相同故称为非静电场（非位场），其它，如洛仑兹力，化学力等作为一种非静电力而言，都是一种等效的电场力，特别强调的是，不管非静电场（力）是真实的感生电场（力）或等效电场（力），非静电场（力）的主要物理性质是非保守场（力）。非静电场强的线积分与积分路径有关。

2电动势概念

我们把如图2所示的A,B两板看成是化学电池的正负电极，电极间存在的非静电力是一种化学力，于是这个装置就是化学电池。在电池内非静电力对电荷作功，使A,B电位差保持不变，则此回路中的电流是稳恒的。

不同电源内非静电场对单位正电荷做功的能力不同，故引入电动势概念来表征电源具有的这一基本性质。

2.1电动势的定义。在一般电磁学书中，电动势的定义有以下几种：

2.1.1《PSSC物理》给电动势的定义是：“电源内部单位正电荷从负极到正极获得的能量”。这种定义未引入非静电力概念，但反映了电动势概念主要的物理特点，把电动势与电压、电位等物理量内在地联系起来，在初等物理学中使用这种定义，学生易于理解，也便于与大学课程衔接。

2.1.2福里斯、季莫列娃合编的《普通物理学》中说：“绕电路一周时，电位跃变的代数和叫做电路中的电动势”。这种定义也未引入非静电力概念。除化学电池外，其它非静电力作用不能引起电位跃变，此定义不适用。例如图3所示，金属棒中AB在磁场中绕棒的一端B旋转，洛仑兹力推动AB间的电荷运动而产生电荷及电位的某种分布，就不是一种跃变。因此，这种定义没有反映所有电源的共同特征，未突出电动势的本质，现已不被人们采用。

2.1.3目前较流行的电源电动势的定义是：电源的电动势是单位正电荷从负极经电源内部移到正极时非静电所做的功。

式中为电源电动势，A为正电荷q从负极经电源内部移到正极时非静电场力所做的功。对整个闭合回路而言

即单位正电荷环绕闭合回路一周，非静电场力所做的功称为电动势。

摘要：通过对非静电力和电动势的讨论，从而说明在不同电路中，电动势所代表的意义不同，所起的作用不同。

关键词：非静电力电动势电场

参考文献：

静电场范文篇7

静电场数值计算方法主要有有限差分法、有限元法和模拟电荷法。这三种方法在处理简单模型时的效果相差不多，但当模型较为复杂时，有限差分法已基本不适用。模拟电荷法与有限元法在实际使用中各有利弊，模拟电荷法有准确度高、三维模型计算中占用计算机内存少等优点，但其适用范围比较小，对于介质种类多、具有较多过小曲率半径的边界的系统等，用模拟电荷法来计算就比较麻烦，甚至不可能。有限元法虽然在电场强度计算上与实际值有一定偏差，但可以通过细化网格达到减小误差目的。本文研究的10kV母线内部电场分布，存在3种以上的介质、结构复杂，故选用有限元法。

2、10kV母线静电场仿真计算

2.1母线内部结构

基于已有的10kV母线端部结构图，并对其做出初步的改进。由于铝金属薄膜的截面是一个矩形，有四个直角，在电场中容易造成尖端效应，使电场产生畸变分布不均匀。因此，对铝金属薄膜的截面进行倒角操作，减少尖端效应。画出母线端部结构及尺寸二维视图如图1所示。为了能够更好地展示母线内部结构，利用ANSYS生成母线端部结构的三维视图。母线由绝缘护套层、接地铜带、主绝缘层、铜导体、铝金属薄膜构成，是一个轴对称模型，可采用PLANE121这一单元进行建模，PLANE121是一个二维八节点静电单元，适用于轴对称模型，适用于静电场计算。

2.2母线材料

铜导线电阻率小，传导过程中发热少，电能损耗低，不易生锈，质软而且可以制成多股软线，大大提高了屈折次数。铝金属薄膜重量较轻。

2.3母线电气性能要求

母线采用铜导体，其电流密度大，电阻小，集肤效应不明显，无须降容使用。电压降小也就意味着能量损耗小，最终节约用户的投资。工频耐压及雷电冲击耐压数值，符合国家标准。其负载性能要求如下，在额定电流下，外壳的温升符合GB/T11022–1999《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》标准要求。其短路性能要求如下，动热稳定试验符合GB2706–89《交流高压电器动热稳定试验方法》标准要求。

2.4母线模型及其仿真

本文将通过ANSYS软件建立二维电场的模型，来研究母线的电位和电场分布。ANSYS分析电磁场问题时，需要从以下3个方面进行考虑。第一由于此处只考虑单项母线，单根母线属于轴对称结构，因此使用二维模型即可反应母线电位和电场分布，从而得到符合实际的数据。第二目前电气设备电极间电压随时间的变化是比较缓慢的，所以母线在任一瞬间的电场都可以近似地认为是稳定的，可以按静电场来分析。第三采用基于节点法的传统的有限元法，其直观性较好。

2.5母线电场计算结果及分析

做完母线模型的仿真之后，利用ANSYS软件进行计算，提取电场强度及电位图，结合材料的击穿场强分析其是否满足要求，并作出优化，尽量减少尖端效应，使电场分布的更加均匀。母线端部采用的多层铝金属膜逐渐降低电位，此处也是电场分布最不均匀的地方。在三层铝金属薄膜端部，其电场畸变较为强烈，但在靠近接地层的端部电场畸变最为剧烈，此处的绝缘中电场最为集中，即此处的绝缘最易发生击穿损坏。而且可以看出，电场的不均匀也会延伸到母线的外皮处，当外皮出现污秽及水滴时，在外皮也会出现电场集中，从而导致表面放电的发生。为了进一步探讨屏蔽层对母线电位的影响，在母线端部无铝金属薄膜处、铝金属薄膜处和接地铜带处沿径向取了三条路径。由曲线走势可知，母线端部无接地层、金属薄膜处电位较高，金属薄膜处电位较低，接地层处电位最低，起点都是5774V。母线端部无铝金属薄膜、接地层处的电位变化平缓，铝金属薄膜处电位在第三层后基本无变化。由此可知，铝金属薄膜、接地层都起到了降低母线内部电位的作用，使母线内部电位变化均匀。由分析可知静电场中某点电场强度等于该点电位梯度的负值，母线内部电位降低，电场强度也相应降低，从而减少母线击穿的可能性。

3、10kV母线内部结构优化

母线端部易绝缘老化，容易发生击穿，缩短使用寿命，造成母线故障、发电厂和变电站停电，甚至对电力系统的安全运行带来严重危害。利用基于有限元法ANSYS软件研究母线的电压和电场分布，了解母线端部绝缘老化及击穿的原因并就此提出优化方案。影响母线绝缘的因素有很多，本文着重对绝缘护套层中的铝金属薄膜部分设计优化方案。由于母线绝缘护套端部电场比较集中，在其中加入多层铝金属薄膜可以强迫控制其内部和表面的电场均匀化。本次设计采用了不同层数铝金属薄膜、不同布置形式的铝金属薄膜、直角和倒圆角之后的铝金属薄膜三种不同的方案，计算母线内部电场分布并分析比较，确定最优方案。

3.1直角和圆角截面时母线电场的计算分析

本次设计将分别对母线以直角截面和圆角截面的铝金属薄膜方式进行建模，其他几何参数、载荷参数不变。铝金属薄膜的截面为圆角，截面为直角母线与之相比有较为明显的尖端效应，可能会导致护套层击穿，威胁到母线正常运行，故选择截面为圆角的铝金属薄膜较为合理。

3.2不同层数铝金属薄膜下母线电场的计算分析

本次设计分别采用2层、3层、4层铝金属薄膜对母线进行建模，其他几何参数和荷载参数不变。当采用三层铝金属薄膜时，母线绝缘护套层的最大场强值最小，为359.463kV/m。虽然采用四层铝金属薄膜时母线绝缘护套的电场分布比3层的稍微均匀些，但是不明显，而且绝缘化套层采用的是硅橡胶材料，其击穿场强为25000kV/m，比最大场强高2个数量级，在正常情况下是不会发生击穿的，处于经济性的考虑，采用三层铝金属薄膜最佳。

3.3两端对齐、阶梯式布置时母线电场的计算分析

本次设计采用两端对齐布置的铝金属薄膜对母线进行建模，计算母线电场分布，将其与铝金属薄膜阶梯式布置时母线电场分布进行对比。其他几何参数、载荷参数不变。得到的绝缘护套层端部电场强度为499.552kV/m，比阶梯式布置方案下的最大电场强度大100kV/m，而且两端对齐布置的铝金属薄膜端部的电场较为集中，不如阶梯式布置的均匀。阶梯式布置的铝金属薄膜，第一、二层铝金属薄膜的端部分别处在第二、三层铝金属薄膜的中间位置处，使得电场不那么集中，过度平滑且分布更加均匀。故母线中铝金属薄膜的阶梯式布置更为合理有效。

4、结束语

静电场范文篇8

关键词：电磁学教学；静电场；稳恒磁场

电磁学作为物理教育专业的一门重要专业基础课程，为光学、电动力学、电工学、原子与分子物理等后续课程奠定基础。电磁学承接了力学中关于物体的受力、做功、运动规律等内容的分析，同时也增加了对“场”这一抽象概念的处理，需要有较扎实的高等数学知识并能灵活运用高等数学处理问题的方法，同时它又具有较强基础性和应用性，学生普遍反映电磁学难懂难学。分析其中原因并设法解决，才能提高学生学习的积极性，改善学习效果，从而达到提高教学质量的目的。通过不断摸索，发现学生学习电磁学过程中存在困难，主要集中在以下几个原因，现对其进行逐个分析并探讨解决的办法。

1对课程重要性认识不足

“兴趣是最好的老师”，若理论学习脱离了实际，一味进行枯燥乏味的理论推算，对学习该门课程的重要性不明确，不了解该学科的历史背景、现实应用，难以提高学生的学习兴趣。物理学是一门实用性很强的自然科学，电磁学作为其中的重要分支学科，在工业生产、生活、医疗、科研及国防建设诸方面均有广泛应用，对当代社会发展起到至关重要的作用。[1]在介绍教学内容的过程中，可适当融入物理学史的内容：通过库仑、奥斯特、安培、法拉第、麦克斯韦等对电磁学作出了重大贡献的伟大科学家的事迹，了解他们的科学研究历程，学习他们崇尚理性、勇于探索、锲而不舍的科学精神。麦克斯韦预言电磁波的存在，赫兹实验发现电磁波，马可尼发明电报，推动着人类通讯发展进入崭新的阶段。从直流发电机的发明到交流发电机的广泛应用，为人类提供了将其他能源转换为便于储存运输的电能的途径，电力的广泛应用推动人类社会进入电气时代。[2]在涉及具体知识点的教学活动中，也可适时联系在生活、生产等方面的应用实例，如介绍静电屏蔽这一知识点时，引入电工工作服的使用原理，并让学生查找其他类似应用实例；又如学习电介质的极化时，插入微波炉的工作原理、使用过程中的禁忌及其原因等，增加生活常识。如此将理论联系实际，特别是日常生活熟悉的例子，学以致用，有助于提高学生学习的兴趣。此外，结合物理教育专业的就业方向，联系《新课标》对电磁学内容的要求，分析近年高考理综卷中电磁学所占的比例，介绍近年高考电磁学的热门考点、考试题型，比如带电粒子在电场、磁场或复合场中的运动类题型是近年高考理综物理卷中的常客，对电路的分析或常见仪表的结构、使用也是常见考题。这样既可强化其专业意识，也可提高学生对电磁学的重视程度，增加学习动力。

2高等数学知识准备不足

电磁学难学还在于这门课程对高等数学的要求高，需要掌握微积分、矢量运算、线性代数、坐标系转换等多项内容，其中高等数学微积分是处理大学物理各门专业课程最基本的数学工具，如果学生没有较好地掌握这部分内容，将增加专业学习的难度。因此有必要在教学过程中让学生明确高等数学的重要性，引导学生打下扎实的高等数学基础。在学习电磁学的同时，部分高等数学内容的学习却未能及时跟进。比如在电磁学第一章就要求运用多重积分计算电场强度和电场强度通量，但二重积分、三重积分的学习都要等到下半学期才能进行，学生在处理相关问题时倍感吃力。在电磁学中涉及各种对称性问题的处理，不同对称特点的问题需要用适当的坐标系，使处理问题更加简便。如当带电体具有球状或半球状外形时，若用叠加原理计算电场强度，选用球坐标会使问题的处理更为便捷。在处理这类问题时同样面临相关高等数学知识尚未学习的难题，解决办法通常有以下几种。方法一：调整培养方案，将电磁学课程开设时间往后延。但若采用这种方法，仅能解决电磁学一门课程的问题，却会影响光学、电动力学等后续课程的学习，因此这种方法难以被采纳。方法二：在教学过程中补充尚未学习但需要用到的高等数学知识。但这样会占用一些理论教学课时，增加教学难度，需要教师能处理好教学课时安排，较好地掌控教学进度。方法三：通过物理思想简化数学计算。如运用叠加原理处理电场问题时，若已知线电荷电场的分布，把面电荷看成线电荷的集合，同理也可把体电荷分解为面电荷的叠加，便于将多重积分替换为一重积分，降低计算难度。方法四：用几何的方法，尽量把积分变量变成角变量，进行三角函数积分，将数学计算化繁为简。[3]方法五：场的分布具有一定的对称性时，尽量用高斯定理或安培环路定理解决问题。如常见的求解具有轴对称、面对称、球对称等对称性的静电场电场强度时，采用静电场的高斯定理可以避免多重积分和坐标系的选取问题。即使学生已经进行了相关高等数学知识的学习，但如何灵活运用高等数学工具解决各种电磁学问题仍是个难题。如微积分的运用，学生先要熟悉电磁学的定理、定律，根据给定条件建立微分式或积分式乃至微分方程或积分方程，还要根据物理过程的给定条件确定初始条件和积分上下限，物理专业知识与高等数学工具双管齐下方能求解出结果。因此，在教学过程中教师有必要多做示范、练习数学知识在物理学上的应用，让学生经过反复练习找出规律，直至达到熟能生巧的程度。[4]

3对课程内容结构认识不足

电磁学内容抽象繁多，题型灵活多变，若对课程整体内容没有深入了解，容易望而生畏。纵观电磁学的主要教学内容，分为“场”和“路”这两大块内容，而“路”即电路部分将在后续的电工学等课程里作进一步的学习，因此应将教学重点放在“场”即电磁场这部分。按照惯例，通常遵循静电场——>稳衡磁场——>变化的电磁场这样的教学次序，静电场与稳衡磁场不管是在概念、定理定律等内容结构方面，还是处理问题的思想方法都有惊人的相似之处。在教学过程中采用对称性分析，在学习静电场的基础上，对比学习稳恒磁场，分析两种场的异同，可提高学习效率，达到事半功倍的效果。

4电磁学处理问题的基本方法和思路不明确

同其他学科一样，电磁学有具有其自身特点的处理问题的基本方法和思路，掌握这些基本方法和思路对学好电磁学极为重要。电磁学处理问题的基本方法比较固定，以静电场和稳衡磁场为例，静电场的常用计算方法有三种：利用库仑定律、电场强度定义和电场叠加原理计算，原则上可以计算任意静电场，但计算通常较繁琐；利用高斯定理计算，需电场具有某些对称性才方便计算；利用场强与电势的微分关系计算。静电场分真空中、有导体时和有电介质时三种情况，计算真空中的情况最为简单，有导体时需考虑静电感应效应，有电介质时则需考虑极化效应。稳衡磁场分真空中、有磁介质时的情况，计算稳恒磁场的常用方法有：利用毕-萨定律和磁场叠加原理计算，原则上可以计算任意恒定电流分布产生的磁场；利用安培环路定律计算，需磁场分布具有一定的对称性才便于计算。采用不同的处理方法时对应不同的解决问题的思路，如用上述第一种方法计算稳恒磁场时的基本思路通常是这样。第一步：将各种电流分布分割为电流元；第二步：利用毕-萨定律和磁场叠加原理建立积分式，并根据已知条件设定积分上下限；第三步：计算积分结果。为简化计算，第一步也可作适当的调整，如将旋转的带电圆盘分割为带电圆环，无限长通电圆柱面可分割成无限长通电直导线，大大降低积分难度。如用安培环路定理解决问题的基本思路则为：第一步，对称性分析；第二步，选取合适的积分环路；第三步，根据安培环路定理建立积分方程；第四步，求解方程。其中前两步最为关键。[5]掌握了解决问题的基本方法和思路，才能自如应对千变万化的问题。教学过程中不妨先教会学生部分基本方法和思路并通过练习不断熟悉，再引导学生学会自己摸索和总结，让学生掌握知识点的同时更重视掌握基本方法和思路，培养良好的学习方式。学生才是学习的主体，高校强调学生学习的自主性，造成电磁学难教难学问题还有其他多方面的原因，但解决问题的根本在于培养和激发学生学习的主观能动性，让学生乐学并有信心学好电磁学。通过教学实践，解决上述几个问题可有效改善学习效果，同时也在不增加学习难度的基础上扩大知识面，有助于物理教育专业学生更好地适应今后的学习和工作。

参考文献：

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[2]宋德生，李国栋。电磁学发展史[M]。广西人民出版社，1987，4。

[3]马文蔚。物理学（上）[M]。高等教育出版社，2012，12。

[4]王玉琢。《物理学》教学中应注意的几个问题[J]。辽宁师专学报，2007，9（2）：12~13，88。

静电场范文篇9

关键词：高山通信基站，雷击，电场，防范措施

2020年5月16日13：50，桂中某正在施工的高山移动通信基站（北纬24º14'，东经108º48'）建设工地遭到雷击，致使两个施工人员受伤昏迷倒地，其中：一人（称为甲）左手臂和左脚大母指、二指、三指、四指的指背到脚背一片区域的皮肤受到灼伤；另一人（称为乙）左手掌和左脚后根往上约3cm处受到灼伤，背部受到擦伤。事发当时天气为多云，工地上方有云，有阳光，没有下雨。当时移动通信基站的杆式铁塔（称为杆塔）已经立好，用钢绞线做材料与杆塔没有绝缘的三方拉线（称为拉线）也已经安装固定好，正在进行地线施工、基站设备基座浇灌水泥浆、拉线涂防锈漆等工作，现场施工人员5人。约13:50现场人员突然听到一声雷响，正在进行基站设备水泥底座施工的施工员甲和正在给杆塔拉线涂防锈漆的施工员乙同时昏迷倒下，几分钟后清醒，乙可自行下山，甲需要他人搀扶才能下山。送到医院后诊断为：除乙的背部擦伤属摔伤外，甲、乙的其他受伤部位均属电击灼伤，结合当时现场的情况可以确定为雷击伤害。

1事故发生的静电场原理

雷雨云静电场的形成。桂中地区5月已经进入雷雨季节，虽然事发当时还出太阳，但工地上方有云，根据当时的照片来看，工地上方的云就是积雨云。积雨云在外电场、重力和大气剧烈运动的同时作用下，云团内部降水粒子（大粒子）和云粒子（小粒子）因感应起电、温差起电、破碎起电等起电机理而生产带有正、负电荷的带电离子。在空间电场力和重力的共同作用下，这些带电离子定向垂直移动，使云团上部和下部分别积累两种不同的电荷：正电荷和负电荷，云团内产生分层电荷，形成产生雷电的雷雨云。研究表明，雷雨云上部为正电荷区，下部为负电荷区。带电荷的雷雨云会静电感应出一个带相反电荷的地面阴影，即下部带负电荷的雷雨云与带正电荷的地面形成一个静电场[1]。雷电发生的电场分析。（1）雷电发生前的静电场分析。该事故现场的山头就是电场的地面凸起部位，山顶附近的电场会比地面上的电场要强得多。由于该杆塔底座和拉线底端全部都打在石灰石上，石灰石为绝缘体，而且杆塔、避雷针、拉线均没有接地线，所以整个杆塔与大地是绝缘的。这时候的整个杆塔就相当于放置在雷雨云与山头之间静电场中的一个导体，在静电场的作用下，杆塔上避雷针顶端感应出与雷雨云相反的正电荷，杆塔和拉线底部感应出与地面相反的负电荷。甲乙两个施工员分别在铁塔的两条拉线下施工，脚上穿了绝缘鞋，也相当于两个导体分别放置于两条拉线下端与山头地面之间形成的静电场中，同样感应出上正下负的感应电荷。（2）雷电形成分析。当甲施工员完成塑料薄膜的铺盖站起来时，由于左手上臂与铁塔拉线突然靠近，根据电场强度的计算式：E＝Q×er/(4πε0r2)[2]，电场强度E与距离r的平方成反比，随着带感应正电荷的甲左手上臂与带感应负电荷的拉线下端的靠近，它们之间形成的电场强度就会急剧增加。当电场强度超过空气的击穿强度3×104V/cm时，甲左上手臂与拉线之间的空气被电击穿，空气被电击穿后就会形成良导体，这时整个杆塔与甲的身体就连通成了一个导体。根据导体在静电场中的静电平衡原理，导体是一个等电势，这时甲的脚与大地之间的电势差就是原来拉线（杆塔）底端与大地之间的电势差（假设为U1），由于刚浇灌了水泥浆的设备基座与埋在其中间的地线形成较好的导体连接并接入大地，所以，甲的脚与设备基座之间的电势差就是U1。根据电场强度E与电势差U之间的关系E＝U/d，当电势差U不变时电场强度与距离d成反比，这时甲的左脚与设备基座之间的电场强度就会突然增大。由于甲穿着绝缘鞋，绝缘鞋的橡胶鞋底不容易被击穿，而此时绝缘鞋布面已经湿了，鞋面的绝缘效果基本失效，当甲的左脚与设备基座之间电场强度超过空气的击穿强度3×104V/cm时，左脚背与设备基座之间的空气被击穿，形成导体。这时杆塔、甲的身体通过击穿了的空气所形成的导体接入到大地，大地与杆塔的避雷针顶部形成了等电势，铁塔的避雷针顶部与雷雨云之间的电势差就是大地与雷雨云之间的电势差，杆塔高度18m，避雷针长度1.5m，就相当于大地与雷雨云之间的电势差不变，距离突然减少约19.5m，电场强度突然增大，特别是避雷针顶部尖端对电场的局部加强作用，使靠近避雷针顶部尖端的电场强度超过空气的击穿强度3×104V/cm而发生击穿，并以电子崩的方式形成雷雨云与大地之间放电的通路，形成打雷。（3）雷击伤害事故发生的原因分析。雷电是一个自然现象，如果掌握它的规律做好预防是不会受到伤害的。该伤害事故之所以发生，主要原因是杆塔和避雷针下引线没有接保护地线，使得雷雨云与大地之间的放电不能直接通过避雷针和保护地线来完成，而通过电击穿空气，经过人的身体来完成。

2避免高山通信基站施工工地被雷击伤害的措施

分析表明，高山上的电场比平地更强，在山上搭建基站铁塔更容易使空气被电击穿而产生雷电，所以，做好施工过程的雷击防范尤为重要。（1）先做好防雷保护，再进行铁塔施工。由于高山基站的地线往往施工难度大，很多施工队习惯于先立好杆塔再进行地网施工。杆塔立好后，在地网做好之前杆塔和避雷针没有接保护地，这不仅不能对杆塔下面的人员和设备起到保护作用，还会因为杆塔和避雷针针尖对电场的局部加强作用更容易发生空气被电击穿引发放电而对人身和设备造成伤害。为此，在进行基站建设时，应先把地网做好，安装好对铁塔施工作业面有效防雷保护的临时避雷针，再进行铁塔架设施工，待铁塔架设完成，将地线与铁塔及避雷针下引线连接好后再拆除临时避雷针。临时避雷针的安装也需要注意防雷击的问题。可采用在地面把避雷针和杆安装好，用一根截面积不小于相关规范标准要求、长度适度的多股软铜线作为临时连接线，将地线接到临时避雷针下引线上（如果避雷针直接焊接到杆上，则可直接接到杆的底端），再将避雷杆立起来。该临时连接线接好后尽量顺直摆放，不宜盘绕，以免因连接线盘绕电感的存在对突增的雷电电流形成很大的感抗而产生很高的暂态电压，也会对人员造成伤害。如果铁塔是在地面组装好后再立起来的铁塔（包括杆塔），则可不用安装临时避雷针，安装方法与安装临时避雷针的方法一样。待铁塔安装好，将地线与避雷针下引线、铁塔接好后再将临时连接线拆除。（2）严格规范地线系统施工。高山站的情况比较复杂，条件比较有限，地线系统施工难度大，地网的施工和接地电阻往往也难于达到相关规范标准要求，有些工程队就会放低了要求。然而，地网的设计和施工是否规范，接地电阻是否达到相关规范标准要求，决定了通信基站的防雷效果，地网不规范、接地电阻太大会使雷击时接地点出现很高的暂态高压而发生闪络电弧对人员造成伤害，所以，高山通信基站的地线系统更需要严格执行相关的规范标准。（3）避开雷雨季节和雷雨天气施工。在做一年的工程计划安排时，应避免将高山通信基站的施工安排在雷雨季节。施工前应关注天气预报，施工过程中更要关注实时的天气变化，出现雷雨天气（雷雨云）时应立即停工，做到不盲目赶工，不冒险作业。

3结语

本文通过对一个高山通信基站施工现场雷击事故的电场原理分析，提出了雷电对人体造成伤害的原因，提出了避免雷电伤害的防范措施。

参考文献

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[5]曹江海.通信机房的建设及防雷击措施[J].铁道通信信号,2010,46(10):65-66.

静电场范文篇10

关键词：垂直铺塑防渗帷幕；防渗膜；质量检测

垂直铺塑防渗帷幕在水利水电工程中的应用日益广泛，该技术主要通过开槽机械，在防渗线开挖固定尺寸的沟槽（宽度为0.15～0.30m、深度≤20m），并利用泥浆护壁，通过人工将辅助机械置入槽内土工膜，并利用砂土回填，以形成防渗膜+泥浆的防渗体。该技术既可以充分利用防渗膜的隔水性能，又充分利用了防渗体的柔性，整体性好，防渗效果优，且施工简便、适应性强。垂直铺塑防渗帷幕施工中，必须保持开槽和铺塑速度一致，若两项工作速度不一致，则会引起塌坑和防渗膜卷底，甚至会出现砂砾层划破防渗膜，防渗膜接缝处接合不紧密等现象。诸如此类的隐患必须及时进行检测和处理，如遇地下水位上涨，水头压力便会在防渗膜破损部位集中，进而造成集中渗漏，导致垮坝，这充分说明，防渗膜如果布设不当反而会成为堤坝隐患。当前，常用的垂直铺塑检测方法是测压管法、施工中堤坝内外水位观测判断法及大开挖直接观察法。前两种方法属于宏观定性检测法，对防渗膜铺设中可能出现的质量问题检测不全面；第三种方法属于微观定量检测法，能较全面、具体地检测防渗膜铺设问题，但是受到地下水位限制，经济性、安全性较差。所以寻找一种既能检测垂直铺塑防渗膜施工质量，又能对其运行情况进行全面检测的方法就显得尤为重要。

1垂直铺塑防渗帷幕物理力学特征

1.1防渗帷幕对静电场的影响

1.1.1室内数值模拟试验

为了探明防渗膜对静电场的影响程度，根据静电场理论并结合有限元法通过地电模型进行室内数值模拟。通过利用温纳装置测量所得电阻率剖面图（图1）可以看出，存在防渗膜的情况下，静电场的分布规律受到干扰，且在防渗膜位置出现了明显的高阻异常现象。

1.1.2防渗膜影响静电场的物理本质

运用在均匀地层埋设防渗膜且通过等效原则予以简化的地电模型（图2）以探究防渗膜影响静电场的物理本质，防渗膜类似于电阻率无穷大的高阻薄板。图2中，电源A和A1分别在垂直分界面左右两侧的地层地面，距离分界面的距离均为d，可以利用镜像法求解电位空间分布的方法求解电阻率为ρ2时地层中任一点M2的电位U2，公式如下：式中：可见，当ρ2→∞时，1-K12→0，U2→0。当测量电极横跨界面两侧，则此时△U=U1-U2最大，根据公式ρ=K×△U/I可知，电阻率达到最大值。但防渗膜并不是在地层中无限延伸，所以U2不可能等于零，只能说当防渗膜存在时，△U会相对变大，从而导致防渗膜位置高阻的出现。当通过双排列二极装置测量，并在防渗膜一侧供电，另一侧测量时，此时的电阻率是通过U2计算的，且低阻异常。总之，防渗膜改变了静电场分布的性能是利用电阻率分析防渗帷幕对静电场影响程度的基础。

1.2双排列电阻率二极快速扫面测量法

沿防渗膜两侧布设双排电极，并保持电极连线与防渗膜垂直，且防渗膜位于连线中点，通过智能电缆连接电极并接入采集仪，防渗膜左侧电极为供电极，右侧电极为测量极。由数码信号操控设计测量过程，对由电极和无穷远极所形成的回路供电，并对测量回路进行电位测量，测量完毕，改变供电极排列顺序和测量电极位置进行第二组电位测量，这样连续变更供电点与测量点所进行的若干组次测量便可完成防渗膜扫描式测量。

2垂直铺塑防渗帷幕质量检测

2.1防渗帷幕的异常形态在图3中，40个电极的排列间距及其与防渗膜的距离均为20cm，测量层数8层，将所采集的数据按照图3构成电阻率剖面图。从图中可以看出，双电极排列对防渗膜具有很强的反映能力，在防渗膜埋深较大的区域内视电阻率剖面低阻区具有很深的纵向深度，而埋深较小的低阻区纵向深度较浅，且在防渗膜接缝处出现了低阻区中断现象。2.2电极排列参数的影响为了研究电极排列参数对测量结果的影响程度，将图3中电极的排列间距及其与防渗膜的距离均缩小为10cm，测量层数增加为15层，反复测量所得视电阻率剖面图可以反映出电极排列间距及其与防渗膜距离的变化并不会引起防渗膜在视电阻率剖面上形态的太大改变，只是改变了数据层之间的相对位置，或层数相同时改变探测深度。

3实际应用

3.1工程概况

北疆供水工程属于典型的以渠道为主的线性供水工程，其中部位于新疆荒漠戈壁滩上，该地区降水稀少、日照与蒸发强烈，空气干燥，气温变化剧烈且年较差大，戈壁沙质土下垫面气温变化剧烈。该供水工程线路跨越三种地层：①剥蚀起伏平原区，渠线长178km，地形高程差在8～20m之间，地层为泥岩、砂质泥岩夹薄层砂岩和粒岩，砂质泥岩具有弱～中弱膨胀性，部分膨胀性中强；②风成沙漠区，长158km，由起伏不平的沙陇沙丘组成，中细～中粗砂层厚度为150～250m；③细土平原区，长55km，地形开阔，局部为半荒漠区，大部分为农田区。

3.2测线布置与测验结果

按照图4进行测线形式布置，图中从上到下依次为：双排列检测装置（用以对防渗膜的分布形态进行检测）、单排列检测装置（用以对原始背景场进行检测）和原始背景场双排列检测装置。电极之间以及电极和防渗膜之间的距离均为1m。从测验结果看，单排列原始背景检测装置和双排列检测装置测试结果具有十分相似的异常特征，都从不同程度反映了原始地层的情况。双排列背景场防渗膜检验结果异常形态的变化，反映了铺设防渗膜的区段存在低阻异常区域，且随着防渗膜埋深的不同，异常区域底部呈现波浪形变动，其中的高阻侵入则反映了防渗膜搭接不当。通过变更测线重新测量来检验探测结果的稳定性，可以看出，试验段防渗膜存在的视电阻率异常特征与防渗膜所在位置异常特征相同，而原始防渗膜铺设段的低阻异常区域与试验段差异较大，这是由防渗膜埋深不同造成的，可见，单排列所具有的异常场特征完全不同于双排列。

4结论

文章利用单排列和双排列测电装置对垂直铺塑防渗帷幕进行了快速无损检测，结果表明，点面结合可以对防渗膜进行连续双排列扫面测量，且测量的垂向探测精度可以高达95%以上，而对于防渗膜搭接不良的位置横向分辨率也能达到0.10m，由此测得的漏洞位置明确，且测量结果可以对防渗膜分布形态作完整描述。

作者:李铭杰 单位:新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局

参考文献