Дослідження електростатичного поля

 

Мета роботи: ознайомитись з методом моделювання електростатичного поля, побудувати картину електростатичного поля за допомогою кривих рівного потенціалу та силових ліній.

Метод моделювання використовується для експериментального вивчення полів, утворених електродами складної конфігурації різних електронних, іонних та інших приладів (ламп, конденсаторів тощо). Збільшені моделі електродів розміщують один відносно одного так, як і в реальному приладі. Подають на них потенціали, пропорційні потенціалам відповідних електродів приладу. Модель відтворює у збільшеному масштабі силові лінії та еквіпотенціальні поверхні електростатичного поля заряджених електродів приладу. Необхідність моделювання зумовлена тим, що вимірювання характеристик електростатичних полів безпосередньо всередині самих приладів часто є утрудненим через малі розміри окремих деталей. Крім того, деякі області простору всередині приладу можуть бути недоступними для зондування.

Установка для вивчення картини електростатичного поля складається з ванни, наповненої слабким електролітом (водопровідною водою) з двома електродами а і в довільної форми (рис. 1,а). Досліджують поле, створене цими електродами, за допомогою зонда З.

3онд (кінець тонкої металічної дротини), який з'єднують через нуль-гальванометр G з рухомою точкою С потенціометра. Переміщуючи зонд, занурений в електроліт, можна знайти таку точку поля, потенціал якої дорівняє потенціалу точки С. У цьому випадку струм, що проходить через гальванометр G дорівнює нулю. Потенціал точки поля в місці розташування зонда визначають за вольтметром V.

Потенціал φ у довільної точки поля – скалярна функція її координат х, у, z: φ = φ (х, у, z). Він є енергетичною характеристикою поля і визначається величиною роботи, що її виконують сили поля при переміщенні одиничного позитивного заряду з даної точки (х, у, z) до тієї, потенціал якої беруть за початок відліку і умовно вважають рівним нулю.

На схемі (рис. 1,а) потенціал зонду, вимірюваний вольтметром V, відраховують відносно потенціалу лівого електрода. Еквіпотенціальні лінії (лінії рівного потенціалу) рисують за допомогою пантографа на папері. Зміна потенціалу на одиницю відстані у напрямку, перпендикулярному до поверхні рівного потенціалу φ (х, у, z) = соnst, визначає величину вектора напруженості електростатичного поля. Вектор напруженості у будь-якій точці поля перпендикулярний до поверхні рівного потенціалу, що проходить через цю точку, і спрямований у напрямку зменшення потенціалу. Зв'язок між напруженістю і потенціалом описується співвідношенням . Для наближеного обчислення напруженості користуються формулою:

, (1)

де – відстань між двома близько розташованими еквіпотенціальними поверхнями, а та – їх потенціали (рис. 1, б).

 

 

Порядок виконання роботи

1. Складають схему (рис.1, а), записують у зошит характеристики вольтметра (ціну поділки, граничне значення, клас точності). У пантографі закріплюють декілька аркушів паперу (відповідно до кількості студентів, що виконують роботу).

2. Встановлюють електроди а та в та, не вимикаючи джерела струму, обводять їх зондом, відтворюючи їх обриси і на папері (кінцем пантографа проколюють папір у кількох точках і з'єднують точки плавною лінією).

3. Подають на електроди різницю потенціалів 10 В.

4. Обертаючи ручку потенціометра, встановлюють потенціал точки С рівним = 1 В. Переміщуючи зонд, відшукують у ванні точку із таким самим потенціалом. У цьому випадку стрілка нуль-гальванометра встановлюється на нулі. Відмічають відповідну точку на папері.

5. Переміщуючи зонд, знаходять 8-10 точок з потенціалом . З'єднуючи їх, викреслюють першу еквіпотенціальну криву і записують поряд з нею значення потенціалу .

6. Збільшують потенціал до значення , = 2 В і аналогічно відшукують наступну еквіпотенціальну криву. Так продовжують далі, збільшуючи кожного разу потенціал зонда на 1 В. Біля кожної кривої вказують її потенціал. Залежно від умов, значення потенціалів можуть бути іншими.

7. На основі отриманих еквіпотенціальних кривих будують сімейство ліній напруженості (силових ліній). Вказують напрямок кожної з них. При побудові враховують, що лінії напруженості перпендикулярні до поверхонь електродів і до еквіпотенціальних ліній.

8. За формулою (1) з урахуванням масштабу пантографа розраховують напруженості поля в кількох точках вздовж однієї з ліній напруженості (лінію вкаже викладач).

Запитання для самоперевірки та контролю

1. Що називають напруженістю електричного поля? В яких одиницях системи СІ вимірюється її величина?

2. Навести означення силових ліній (ліній напруженості) електричного поля.

3. Який фізичний зміст має різниця потенціалів між двома точками електростатичного поля?

4. Навести означення еквіпотенціальної поверхні та еквіпотенціальної лінії. Використовуючи силові та еквіпотенціальні лінії, образити на рисунку електростатичні поля точкового заряду, плоского конденсатора.

5. Що називають градієнтом фізичної величини?

6. Як зв’язані між собою напруженість і потенціал електростатичного поля? Якого вигляду набуває співвідношення між ними, якщо поле однорідне?

 

 

РОБОТА 3.2