11297

Исследование электростатического поля, лабораторная работа

Лабораторная работа

Физика

Исследование электростатического поля Указания содержат краткое описание измерительной установки и методику исследования электростатического поля. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторно

Русский

2015-01-16

429 KB

69 чел.

Исследование электростатического поля

Указания содержат краткое описание измерительной  установки и методику исследования электростатического поля.

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Электричество и магнетизм»).

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Цель работы:       1) построить эквипотенциальные поверхности и линии напряженности электростатического поля по экспериментальным данным;

  2) вычислить напряженность однородного   и неоднородного электростатического поля.

Оборудование: электролитическая ванна с двумя плоскими электродами; набор электродов разной формы (набор металлических тел разной формы); реостат (потенциометр); высокоомный вольтметр; металлический зонд; осциллограф; соединительные провода; источник постоянного тока; линейка; миллиметровая бумага; карандаш; водопроводная вода.

  1.  Теоретическая часть

Электрическое поле – одна из форм существования материи, посредством  которой осуществляется  взаимодействие электрически заряженных тел. Поле, созданное неподвижными  электрическими зарядами, называется электростатическим.

Для обнаружения и исследования поля вводят понятие «пробный   заряд». Пробный заряд - это единичный положительный точечный заряд, помещённый в исследуемое поле и не искажающий его. На пробный заряд , внесенный в электрическое поле, создаваемое точечным зарядом , действует кулоновская сила:

,                                    (1)

где   - вектор, проведенный от заряда   к заряду .         

Электростатическое поле в каждой точке характеризуется вектором напряженности  и потенциалом .

Напряженность поля   векторная физическая величина, численно равная силе , действующей на единичный пробный положительный заряд , помещенный в  данную точку поля:

                                      (2)

Напряженность измеряется в .

Потенциал поля   скалярная физическая величина, численно равная потенциальной энергии  единичного пробного положительного заряда, помещенного в данную точку поля:

Рис. 1

Рис. 2

                                                   (3)

Потенциал измеряется в вольтах -.

Напряженность и потенциал электростатического поля связаны между собой соотношением:

 (4)

где   производная потенциала  по нормали  к эквипотенциальной поверхности (рис.1). Она также называется градиентом потенциала, который  обозначается   

 (5)

Графически электростатические поля  изображаются с помощью силовых линий и эквипотенциальных поверхностей.

Силовой  линией электростатического поля или линией напряженности  называется линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности  (сплошные линии на рис.2).      

Силовые линии обладают следующими свойствами:

– силовые линии электростатического поля не замкнуты  они начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах;

– линии непрерывны и нигде не пересекаются (т.к. их пересечение означало бы отсутствие определенного направления напряженности электрического поля в данной точке);

– густота линий выбирается так, чтобы количество линий, пронизывающих единицу поверхности площадки, перпендикулярной к линиям, было равно численному значению (модулю) вектора .

– общее число силовых линий, пересекающих некоторую поверхность,  иначе называют потоком вектора напряжённости поля.

На рис. 3 приведены силовые линии точечных положительного и отрицательного зарядов и электрического диполя (системы двух зарядов).

Эквипотенциальная поверхность – это геометрическое место  точек равного потенциала (пунктирные линии на рис. 2).

Силовые линии всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

Электростатическое поле называется однородным, если в любой его точке вектор напряжённости  имеет постоянную величину и направление (рис. 4). В противном случае, оно называется неоднородным (рис. 5).

                                                        

      

Если поле создается системой зарядов, то  напряженность в данной точке поля равна:

          (6)

где  – число зарядов, создающих систему. Это выражение называется принципом суперпозиции полей: напряженность результирующего поля, создаваемого системой зарядов, равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых в данной точке каждым зарядом в отдельности.

2. Метод измерений и экспериментальная установка

При конструировании электронных ламп, конденсаторов, электронных линз и других приборов часто требуется знать распределение электрического поля в пространстве между электродами сложной формы. Аналитический расчет поля удается только при самых простых конфигурациях электродов и в общем случае невыполним.

Для исследования сложных электростатических полей используется метод электролитической ванны (метод зондов), в котором экспериментально определяется положение линий равного потенциала, что позволяет построить силовые линии поля и найти напряженность в различных его точках. В этом случае прямое изучение электростатического поля в вакууме заменяется изучением его точной,  но более удобной моделью. Оказывается, что при некоторых условиях распределение потенциалов в среде, по которой течет ток между установленными в ней электродами, может быть сделано тождественным с распределением потенциалов между теми же электродами, когда между ними имеется электростатическое поле в вакууме или в однородном диэлектрике.

Это связано с тем, что в однородном проводнике при прохождении по нему постоянного тока нет объемных зарядов.

Установка состоит из плексигласовой ванны  (рис.6) с горизонтальным плоским дном и двумя металлическими электродами  и , между которыми исследуется поле.

На электроды подается постоянный ток. Ванна заполняется водопроводной водой.

Для изучения распределения потенциалов используется зонд . Он изготовлен в виде металлического щупа с острием и соединен через вертикальные пластины осциллографа  с движком потенциометра . Если зонд установить в некоторую точку в ванне, чтобы разность потенциалов  между электродом   и этой точкой была такой же, как и между точками   и , то напряжение  на вертикальных пластинах развертки осциллографа  будет равно нулю. При этом на экране осциллографа будет видна тонкая горизонтальная  линия.

Для нахождения эквипотенциальной поверхности надо отметить ряд положений зонда, соответствующих одному и тому же показанию вольтметра  и нулевому напряжению на вертикальных пластинах осциллографа (тонкой горизонтальной  линии на экране).

3. Порядок выполнения работы

Задание 1. Изучение однородного электростатического поля. 

  1.  При выполнении работы необходимо следить, чтобы электроды не оказались замкнутыми накоротко. Во избежание этого категорически запрещается зондом касаться электродов.
  2.  Перенести на чистый лист миллиметровой бумаги оси координат, задающие симметрию расположения электродов  электролитической ванны. На этот же лист нанести электроды  и  при фиксированном их расположении относительно осей  и . Приготовить два листа миллиметровой бумаги для графического изображения исследуемых полей (однородного и неоднородного).
  3.  Собрать цепь по схеме, изображенной на рис. 6, и установить движок потенциометра  примерно на середине.
  4.  Налить в ванну воды столько, чтобы она равномерно покрыла поверхность ванны тонким слоем.
  5.  Включить источник питания, вольтметр и осциллограф, дождаться появления на экране осциллографа сигнала в виде горизонтальной линии.
  6.  По заданию преподавателя установить на вольтметре значение потенциала . Зондом, опущенным в ванну вертикально, найти точку, которой соответствует на экране осциллографа узкая линия сигнала. Координаты этой точки нанести на лист миллиметровой бумаги или записать в таблицу (на усмотрение преподавателя). Для этого же  найти аналогично еще 4 точки.
  7.  Соединить найденные точки в линию, указав возле нее значение потенциала (первая эквипотенциальная поверхность).
  8.  Пункты 6 и 7 повторить для   и , изменяя потенциал на 1-2 В  для  каждой  эквипотенциальной  поверхности.
  9.  По построенным эквипотенциальным  поверхностям изобразить силовые линии напряженности.
  10.  Рассчитать напряженность электрического поля по формуле:

где   разность потенциалов между выбранными эквипотенциальными поверхностями; - расстояние между ними.

  1.  Значения напряженности в разных точках поля записать на лист миллиметровой бумаги.

Задание 2. Изучение неоднородного электростатического поля.

  1.  По указанию преподавателя взять металлическое тело из  набора электродов, нанести форму и координаты данного тела на второй лист миллиметровой бумаги.
  2.  Поместить металлическое тело в ванну с водой симметрично между электродами  и . (По усмотрению преподавателя электрод  можно заменить  электродом из набора).
  3.  Повторить п. п. 6-9 из задания 1, только для каждого потенциала снять 8-10 точек. Для более наглядного изображения поля взять 7-8 значений потенциала .
  4.  Повторить п. п. 10-11 из задания 1.
  5.  Сделать выводы о влиянии металлического тела на первоначально исследованное электростатическое поле.

Таблица

п/п

···

1

2

3

·

·

·

8

Контрольные вопросы

  1.  Какое поле называется  электростатическим?
  2.  Что называется пробным зарядом?
  3.  Запишите закон Кулона.
  4.  Назовите основные характеристики электростатического поля и дайте их определения.
  5.  Что такое линия напряженности и эквипотенциальная поверхность?
  6.  Какая существует связь между напряженностью электростатического поля и потенциалом?
  7.  Докажите, что линии напряжённости электростатического поля перпендикулярны к эквипотенциальным поверхностям.
  8.  Какое электростатическое поле называется однородным, неоднородным?
  9.  Приведите примеры графического изображения электростатических полей с помощью линий напряжённости.
  10.  Расскажите об экспериментальном методе исследования электростатических полей, применяемом в данной работе.

Техника безопасности

  1.  К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с ее устройством и принципом действия.
  2.  При выполнении работы необходимо следить, чтобы электроды не оказались замкнутыми накоротко, во избежание этого категорически запрещается зондом касаться электродов.

Рекомендуемая литература

  1.  Трофимова Т. И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Высш. шк., 2004
  2.  Электростатика. Постоянный электрический ток: учеб. пособие.  /B.C. Кунаков, И.В. Мардасова, О.М. Холодова, В.А. Тызыхян. – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2010. – 66 с.
  3.  Яворский Б.М. Справочник по физике / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. – М.:Наука, 2006
  4.  Калашников С.Г. Электричество. 6-е изд., стереот. / С.Г. Калашников. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 624 с.
  5.  Физический практикум под редакцией Ивероновой В.И. – М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962.

Составители: Ковалёва В.С., Литвищенко В.Л., Попова И.Г., Фролова Н.Н.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Методические указания к лабораторной работе №1 по физике

(Раздел «Электричество и магнетизм»)

Редактор Т.В. Колесникова

________________________________________________________

В печать 15.03.2012.

Объем 0,68 усл.п.л. Офсет. Формат  60x84/16.

Бумага тип №3.    Заказ №        Тираж          экз. Цена свободная

________________________________________________________

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344000, г. Ростов-на-Дону, пл. гагарина, 1.


Рис.
3. Силовые линии полей, создаваемых различной комбинацией точечных зарядов

+

Рис. 5. Силовые линии               неоднородного электростатического поля

Рис. 4.  Силовые линии однородного электростатического поля

Рис. 6


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

83840. Хирургическая анатомия свода и основания черепа. Виллизиев круг, синусы твёрдой мозговой оболочки, черепные нервы, оболочки головного мозга 985.14 KB
  Виллизиев круг синусы твёрдой мозговой оболочки черепные нервы оболочки головного мозга. Принято выделять три черепные ямки: переднюю от внутренней поверхности чешуи лобной кости до крыльев и площадки основной кости среднюю область пирамид височных костей заднюю от спинки турецкого седла до задних граней пирамид височных костей и борозды поперечного синуса. Оболочки головного мозга Головной мозг окружен тремя оболочками: 1 мягкой непосредственно прилежащей к его поверхности; 2 паутинной образующей узкое пространство над...
83841. Трепанация черепа. Показания, техника выполнения, осложнения. Схема кранио-церебральной топографии Кренлейна 93.22 KB
  Локализация разрезов и костного дефекта определяется локализацией патологического процесса Показания: оперативный доступ при вмешательствах по поводу операбельных опухолей головного мозга мозговых грыж водянки мозга кисты мозга и пр Техника выполнения: 1. Осложнения: Кровотечение; Инфекция; Отек головного мозга; Повреждение мозга после чего может возникнуть: Изменения в памяти поведении мышлении речи; Проблемы со зрением; Проблемы с балансом; Проблемы кишечника и мочевого пузыря; Судороги; Паралич или слабость; Реакция...
83842. Первичная хирургическая обработка ран головы 48.42 KB
  При осмотре пациента с раной головы необходимо определить: 1 ее глубину 2 наличие в ране поврежденных артериальных сосудов 3 наличие или отсутствие повреждения костей свода черепа. Наличие или отсутствие костных повреждений необходимо уточнять не только при осмотре раны но и с использованием рентгенографии черепа и компьютерной томографии головы.
83843. Хирургическая анатомия лицевого и тройничного нерва. Разрез при гнойном паротите 50.26 KB
  Хирургическая анатомия лицевого нерва Лицевой нерв смешанный. Двигательная часть начинается от ядра лицевого нерва в Варолиевом мосту. У клеток двигательного ядра имеются многочисленные чувствительные коллатерали идущие из чувствительных ядер тройничного нерва.
83844. Кровеносные сосуды лица 50.02 KB
  Артерии Верхнечелюстная артерия является одной из двухконечных ветвей наружной сонной артерии. В первом отделе следующие ветви: 1 глубокая ушная артерия разветвляется в коже наружного слухового прохода в барабанной перепонке и в капсуле височно нижнечелюстного сустава; 2 передняя барабанная артерия проникает через каменисто барабанную щель к слизистой оболочке барабанной полости; 3 нижняя альвеолярная артерия вхожи в канал нижней челюсти и отдаёт ветви к зубам и десне нижней челюсти; её конечная ветвь подбородочная артерия...
83845. Клетчаточные пространства лица. Хирургическая тактика при флегмонах лица 52.56 KB
  выше линии соединяющей углы рта. VI Клетчаточные пространства под слизистой оболочкой мышцами и органами дна полости рта: Боковые клетчаточные пространства между языком и нижней челюстью В них окруженные клетчаткой располагаются подъязычные слюнные железы с большими выводными протоками. Гнойные процессы возникающие в межмышечных клетчаточных пространствах дна полости рта могут распространятся в пределах дна полости рта. Височноязычный промежуток сообщается с жировым телом щеки крылонебной ямкой а через круглое отверстие с полостью...
83846. Хирургическая тактика при флегмонах лица 54.42 KB
  Раскрытие и дренирование флегмон скуловой области. Раскрытие и дренирование флегмон височной области. В указанной области возможно возникновение поверхностной межапоневротической подапоневротической глубокой и разлитой флегмон. Поверхностная флегмона височной области образуется между кожей и собственной височной фасцией.
83847. Подчелюстная область, треугольник Пирогова. Перевязка язычной артерии, показания, техника выполнения 48.93 KB
  В пределах подчелюстной области залегают: подчелюстная слюнная железа лицевые артерия и вена подподбородочные артерия и вена подъязычный и челюстноподъязычный нервы лимфатические узлы и клетчатка окружающая эти образования. Последняя сообщается с клетчаткой подъязычной области крыловидночелюстного окологлоточного пространств боковой области лица и шеи. Подчелюстные лимфатические узлы являются регионарными узлами челюстнолицевой области полости рта. Треугольник Пирогова Треугольное пространство в боковой части надподъязычной...
83848. Коникотомия. Показания, техника выполнения, осложнения, их профилактика 116.46 KB
  Врач встав справа от больного указательным пальцем левой руки нащупывает бугорок перстневидного хряща и углубление между ним и нижним краем щитовидного хряща соответствующее расположению конической связки. Большим и средним пальцами левой руки фиксируют щитовидный хрящ натягивая кожу над хрящами гортани и смещая кзади грудиноключичнососцевидные мышцы с расположенными под ними шейными сосудистыми пучками второй палец находится между дугой перстневидного и нижним краем щитовидного хряща. Скальпелем проводят горизонтальный поперечный разрез...