Описание экспериментальной установки

Введение

Изучение электростатического поля

Лабораторная работа № 1

Цели работы: экспериментальное нахождение эквипотенциальных линий электростатического поля; использование их для вычисления напряженности поля.

Приборы и принадлежности: электролитическая ванна, набор электродов, проводник сложной формы, зонды, генератор сигналов звуковой частоты, осциллограф С1-73.

Литература: [1], § 1.2, 1.6, 1.8; [2], § 2, 8; [3], § 1.1, 1.6, 2.2; [4], § 10-14, 18-23, 31; [5], § 1-6, 24-25; [6], § 4-12, 21; [7], § 79, 84-86.

Электростатическое поле в каждой точке характеризуется вектором напряженности и потенциалом φ. Точки поля, имеющие одинаковый потенциал, образуют поверхности равного потенциала (эквипотенциальные поверхности). На двумерных схемах электростатических полей эквипотенциальные линии обычно проводят таким образом, чтобы разность потенциалов между соседними линиями была одинаковой в пределах всей области пространства, для которой представляется структура поля.

Наглядный образ структуры поля дается также изображением линий напряженности или силовых линий. Силовая линия – это линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с вектором напряженности. Линии напряженности незамкнуты, они начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах или уходят в бесконечность. Густоту силовых линий принято связывать с модулем напряженности электрического поля в соответствующей области пространства.

Связь между напряженностью и потенциалом электростатического поля выражается соотношением из которого следует вывод о перпендикулярности силовых и эквипотенциальных линий. На рис. 1 в качестве примера приведена структура электрического поля точечного заряда. Пунктирными линиями здесь изображены линии напряженности, непрерывными - эквипотенциальные линии.

Рис. 1

Для изучения распределения потенциала в электростатическом поле могут быть использованы два зонда, представляющие собой электроды малых размеров. Зонды присоединяются к прибору, измеряющему разность потенциалов, и вводятся в различные точки исследуемого поля.

Однако непосредственное изучение электростатического поля встречает ряд экспериментальных трудностей. Эти трудности связаны, во-первых, с появлением на зондах индуцированных зарядов, искажающих конфигурацию исследуемого поля. Кроме того, такой способ исследования требует применения приборов, не проводящих электрического тока. Эти приборы (электрометр, например) обладают низкой чувствительностью. Поэтому на практике моделируют электростатическое поле с помощью квазистационарного электрического поля тока в слабо проводящей среде.

Моделирование поля основано на том, что слабые токи в электролитах подчиняются закону Ома в дифференциальной форме где - плотность тока в некоторой точке электролита, -напряженность электрического поля в той же точке, λ - удельная электропроводность электролита. Следовательно, направление электрического тока в каждой точке электролита совпадает с направлением вектора напряженности, и конфигурация линий тока совпадает с конфигурацией силовых линий. И если электропроводность среды во много раз меньше электропроводности проводника, создающего поле, то падение напряжения вдоль проводника можно считать равным нулю, а его поверхность – эквипотенциальной. Таким образом, распределение потенциала в слабо проводящей среде практически не будет отличаться от распределения потенциала в электростатическом поле при той же форме электродов, между которыми создается поле. Измерение же разности потенциалов в проводящей среде может быть осуществлено с помощью высокоомного вольтметра, осциллографа или методом компенсации. Возникающая в процессе протекания тока через электролит поляризация электродов легко устраняется, если установку питать от источника переменного тока.

Схема экспериментальной установки, предназначенной для изучения электрического поля, представлена на рис. 2.

Плоская электролитическая ванна прямоугольной формы, на дне которой нанесена масштабная сетка, заполняется тонким слоем (3-5 мм) воды. Слабая проводимость воды обусловлена растворенными в ней солями, содержащимися в ничтожных количествах. В электролит опущены электроды 1 и 2, моделирующие систему двух проводников, электростатическое поле которых подлежит исследованию.

Рис. 2

Схема, приведенная на рис. 2, соответствует ситуации, когда изучается поле, создаваемое небольшим металлическим шариком и плоской пластиной. На электроды подается переменное напряжение от генератора сигналов звуковой частоты. Зонды 3 и 4 в процессе работы вносятся в выбранные точки поля. Специальный держатель зонда 4 обеспечивает его перемещение вдоль оси симметрии электрического поля. Зонды подключаются к осциллографу С1-73, с помощью которого измеряется амплитуда напряжения между точками поля при заданной амплитуде напряжения на электродах 1 и 2. Чувствительность вертикального входа осциллографа (в В/дел.) изменяется каскадным делителем напряжения. Его рукоятка установлена в верхней части передней панели осциллографа слева от экрана. С правой стороны экрана установлен переключатель калиброванной горизонтальной развертки электронного луча. Каждому положению этого переключателя соответствует определенное время пробега лучом одного деления горизонтальной шкалы. Соответствующий параметр (в мс/дел., мкс/дел.) считывается по круговой шкале переключателя разверток напротив его указателя. Получение неподвижной картины на экране осциллографа достигается поворотом рукоятки «стабильн.», расположенной на передней панели осциллографа ниже экрана.

Дата добавления: 2017-02-01; Просмотров: 37; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!