Экспериментальные исследования электростатических полей

 

Измерить разность потенциалов между двумя проводниками или между двумя точками проводника не трудно – для этого существуют вольтметры. Более сложная задача – измерение разности потенциалов между проводником и какой-либо точкой поля или данной точкой поля Земли.

Для исследования электростатического поля могут быть использованы электрометры. Однако, в силу трудностей экспериментов с электрометром, изучение электростатического поля системы заряженных проводников заменяют изучением поля электрического тока между той же системой проводников, если потенциалы проводников поддерживаются постоянными и проводимость среды во много раз меньше проводимости проводников.

Такой способ изучения называется моделированием, а реализуется он с помощью ванны, представляющей сосуд, в котором могут помещаться электроды различной конфигурации. В ванну заливается слабопроводящий раствор.

Таким образом, если проводники нужной формы поместить в однородную слабопроводящую среду и поддерживать постоянство потенциала с помощью внешнего источника ЭДС, то структура электрического поля между электродами совпадает со структурой электрического поля, созданного зарядами, расположенными на этих электродах (рис. 6.5).

Во избежание неудобств, связанных с электролизом и поляризацией электродов, питание установки лучше производить не постоянным, а низкочастотным переменным током.

Обычно непосредственное изучение электростатического поля осуществляется с помощью зонда, представляющего собой проводник достаточно малых размеров. На зонд с помощью потенциометра подают потенциалы различной величины относительно одного из электродов (обычно заземленного). Если потенциал данной точки поля и зонда совпадают, то ток через зонд, фиксируемый гальванометром, отсутствует. Если при перемещении зонда в электролитической ванне ток через гальванометр отсутствует, то это означает, что зонд перемещается вдоль сечения эквипотенциальной поверхности. Таким образом, можно с помощью эквипотенциальных линий представить картину электрического поля.

В нашей лаборатории разность потенциалов между электродами устанавливается с помощью источника тока с регулируемым выходом и вместо зонда с регулируемым потенциалом используется высокоомный вольтметр с внутренним сопротивлением порядка 100 кОм.

Выполнение работы

Цель работы: исследование электростатических полей, создаваемых заряженными телами различной конфигурации, с помощью электростатической ванны.

Приборы и принадлежности: 1)электростатическая ванна; 2) высокоомный вольтметр (Ц4323-М1); 3) источник питания с регулируемым выходом (ВС-24); 4) набор соединительных проводов; 5) канцелярская бумага; 6) стакан с водопроводной водой; 7) зонд.

Подготовка ванны к работе: Схематическое устройство ванны (вид сбоку) показано на рис. 6.6.

Для подготовки ванны к работе необходимо:

1. Отвинтить прижимные винты.

2. Снять покровную сетку.

3. Подливая постепенно воду на ткань, уложенную на дно ванны, хорошо увлажнить ее равномерно по всей поверхности.

4. Наложить на мокрую ткань лист канцелярской бумаги (два листа, если Вы работаете в паре с другим студентом).

5. Установить на покровной сетке электроды, имитирующие плоский конденсатор (в центре ванны, расстояние между электродами примерно 8–10 мм), осторожно опустите сетку с электродами на уже увлажнившуюся равномерно бумагу.

6. Осторожно (чтобы не порвать бумагу и не сломать электрод) откорректировать положение электродов параллельно друг другу и краям ванны, прижать легко винтами сетку к бумаге.

7. Достаточно энергичным нажатием пальцев в области расположения электродов сделать их оттиски на бумаге.

 

Задание 1. Соберите электрическую схему по рис. 6.7. Установите на электродах выбранное напряжение. Легким прикосновением зонда к влажной бумаге через отверстия в покровной сетке обнаружьте и нанесите прокалыванием бумаги эквипотенциальные поверхности (не менее 3), потенциалы которых выберите в соответствии с правилами графического изображения полей.

Точки на каждой эквипотенциальной поверхности наносите через 8–12 мм.

Сняв полную картину поля, выключите источник питания, осторожно отсоедините проводники от электродов, снимите покровную сетку и осторожно, чтобы не порвать, снимите бумагу и положите ее на гладкую поверхность для просушки.

 

Задание 2. На высохшей картинке задания 1 шариковой ручкой или фломастером нарисуйте картину поля с помощью эквипотенциальных поверхностей и линий напряженности.

По полученной картинке рассчитайте напряженность электрического поля для точки, лежащей в центре картинки и для одной из точек лежащей вблизи электрода. Полученные результаты сравните с теоретическими, определяемыми по формуле для плоского конденсатора:

Объясните обнаружившиеся расхождения.