III .Экспериментальные результаты.

 

Описание лабораторной установки представляет собой прямоугольную ванну 1 (рисунок 2) с электролитом (водопроводной водой), в которую погружены два электрода 2 и 4. На дно ванны нанесена координатная сетка 3. Для выполнения первой части задания берут два одинаковых электрода в виде небольших металлических колец, для второй части одно из колец заменяют на плоскую металлическую пластинку. Электроды присоединены к источнику постоянного напряжения, установленному внутри лабораторного стенда 6.

 

Рисунок 2. Внешний вид лабораторной установки

Один из электродов подключен через вольтметр 7, к подвижному зонду 5.

Если подать на электроды постоянное напряжение, то между ними возникнет электрическое поле и вольтметр покажет разность потенциалов между электродом и точкой в ванне, в которую помещен зонд . Характеристики и параметры этого поля предстоит исследовать в данной работе.

 

 

Схема лабораторной установки изображена на рисунке 3. Неподвижные электроды ванны и подключены к источнику постоянного напряжения G.

Подвижный электрод-зонд подключен к источнику тока через вольтметр V. При погружении зонда в электролит вольтметр показывает разность потенциалов между неподвижным левым по схеме электродом и подвижным зондом .

Рисунок 3. Схема лабораторной установки

 

Первая часть задания

Исследование электростатического поля между двумя заряженными электродами одинаковой геометрической формы.

 

1. С помощью программы-симулятора исследуем электрическое поле в ванне с двумя круглыми электродами различной полярности.

2. Результаты исследований вносим в Таблицу № 1.

 

Таблица 1. Результаты исследований электрического поля в ванне с двумя круглыми электродами различной полярности

Горизонтальная координата x, см	Вертикальная координата y,см	Потенциал φ, В
10,00	15,00	5,00
10,00	14,00	5,00
10,00	13,00	5,00
1,00	12,00	6,00
10,00	12,00	5,00
19,00	12,00	4,00
3,35	11,00	6,00
10,00	11,00	5,00
16,60	11,00	4,00
0,05	10,00	7,00
4,20	10,00	6,00
10,00	10,00	5,00
15,80	10,00	4,00
18,00	10,00	3,00
0,60	9,00	9,00
0,80	9,00	10,00
1,60	9,00	9,00
2,10	9,00	8,00
2,90	9,00	7,00
4,60	9,00	6,00
10,00	9,00	5,00
15,40	9,00	4,00
17,00	9,00	3,00
17,90	9,00	2,00
18,80	9,00	1,00
19,00	9,00	0,00
19,40	9,00	1,00
0,20	8,00	10,00
2,15	8,00	9,00
2,50	8,00	8,00
3,15	8,00	7,00
4,70	8,00	6,00
10,00	8,00	5,00
15,30	8,00	4,00
16,90	8,00	3,00
17,50	8,00	2,00
17,90	8,00	1,00
18,20	8,00	0,00
0,40	7,00	9,00
0,90	7,00	10,00
1,60	7,00	9,00
2,10	7,00	8,00
2,85	7,00	7,00
4,55	7,00	6,00
10,00	7,00	5,00
15,40	7,00	4,00
17,10	7,00	3,00
17,90	7,00	2,00
18,40	7,00	1,00
19,10	7,00	0,00
19,40	7,00	1,00
1,75	6,00	7,00
4,20	6,00	6,00
10,00	6,00	5,00
15,90	6,00	4,00
18,10	6,00	3,00
3,30	5,00	6,00
10,00	5,00	5,00
16,70	5,00	4,00
0,85	4,00	6,00
10,00	4,00	5,00
18,70	4,00	4,00
10,00	3,00	5,00
10,00	2,00	5,00
10,00	1,00	5,00

 

3. Используя полученные координаты составляем Рисунок № 4.

Рисунок № 4

 

 

 

4. Зарисовываем эквипотенциальные линии исследуемого поля, соединяя между собой все точки с одинаковыми значениями потенциала. Рисунок № 5

 

Рисунок №5

5. Пользуясь свойством взаимного расположения силовых и эквипотенциальных линий, построим на рисунке № 6 силовые линии исследуемого электрического поля.

Рисунок № 6

 

1. Задача № 1.

Вычислите по формуле значение напряжённости электрического поля в трёх точках электролитической ванны если.

Вариант	Координаты первой точки А	Координаты второй точки В	Координаты третьей точки С
x, см	y, см	x, см	y, см	x, см	y, см
8	7	12	10	12	13	12
Потенциал φ, В	5,30	5	4,70

 

Рисунок № 7

 

 

Дано:

Решение: По формуле где x1,x2 – координаты двух точек, лежащих на силовой линии; φ1, φ2 – потенциалы этих точек.   1) вычислим напряженность электрического поля в точке А •Найдем разность потенциалов точек А и В •Расстояние между точками по прямой силовой лини •Вычисляем напряженность в точке А   /м 2) вычислим напряженность электрического поля в точке В •Найдем разность потенциалов точек В и С •Расстояние между точками по прямой силовой лини •Вычисляем напряженность в точке В /м   3) вычислим напряженность электрического поля в точке С Найдем разность потенциалов точек А и С Расстояние между точками по прямой силовой лини Вычисляем напряженность в точке С /м Ответ: ; /м

Найти:

Задача № 2

Сравните между собой численные значения напряжённости электрического поля в исследуемых точках. Сделайте вывод о соответствии густоты расположения силовых линий и абсолютной величине напряжённости электрического поля.

ВЫВОД:

Исследовано электростатическое поле, созданное двумя электродами два тонких кольца. Графически изображены сечения эквипотенциальных поверхностей (рисунок 7). Видно, что вблизи электродов эквипотенциальные линии принимают форму источника, что позволяет сделать вывод о том, что металлические электроды являются эквипотенциальными поверхностями.

Построены силовые линии электростатического поля, произведены оценки величины напряженности поля в трех точках. Полученные результаты говорят о том, что в областях, где силовые линии расположены гуще, величина напряженности поля больше, что соответствует теоретическим ожиданиям.

 

Задача № 3

Определите направление силовых линий с помощью формулы
и понятия градиента потенциала. Проверьте полученный результат, определив направление силовых линий ещё раз по известной полярности электродов ванны. Сравните полученные результаты и сделайте вывод о справедливости формул связи напряжённости электрического поля с его потенциалом
, или

Определим направление силовых линий с помощью формулы

 

• Градиент скалярной функции показывает направление её наиболее быстрого возрастания

• Знак «минус» появляется при выводе формулы из закона сохранения энергии и указывает на необходимость затрат энергии на совершение работы по перемещению заряда в электрическом поле

• Таким образом, силовые линии электрического поля будут направлены в сторону уменьшения его потенциала

• С другой стороны, мы знаем, что силовые линии направлены от положительных зарядов к отрицательным

• Сопоставление этих двух условий позволит нам экспериментально проверить формулу , что и составляет основную цель лабораторной работы

 

Вторая часть задания