12376

Изучение электростатического поля методом моделирования

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 1 Изучение электростатического поля методом моделирования 1. Цель работы: экспериментальное исследование электростатического поля методом его моделирования. 2. Обоснование выбора метода моделирования. Для изучения распределения потенциало...

Русский

2013-04-26

1.03 MB

187 чел.

Лабораторная работа № 1

"Изучение электростатического поля методом моделирования"

1. Цель работы: экспериментальное исследование электростатического поля методом его моделирования.

2. Обоснование выбора метода моделирования.

Для изучения распределения потенциалов в электростатическом поле часто используется метод зондов. Его сущность заключается в следующем: в исследуемую точку поля вводится специальный дополнительный электрод-зонд, по возможности устроенный так, чтобы он минимально искажал своим присутствием исследуемое поле. Этот зонд соединяется проводником с прибором, измеряющим приобретенный зондом потенциал относительно одного из электродов. При этом необходимо обеспечить такие условия, при которых зонд приобретает потенциал той точки поля, в которую он помещен.

Сложности работы с зондами и вообще трудности электростатических измерений привели к разработке особого метода изучения электростатических полей путем искусственного воспроизведения их структуры в проводящей среде, по которой пропускается постоянный ток.

Электрическое поле в диэлектрике подобно полю постоянного тока в проводящей среде при одинаковой конфигурации электродов. Подобие полей видно из сопоставления их свойств.

Электростатическое поле в диэлектрике потенциально, циркуляция вектора напряженности электростатического поля по замкнутому контуру равна нулю:

. (1.1.)

Поле в однородной проводящей среде также потенциально. Постоянный ток не образует вихрей между электродами. Следовательно:

 и , т.к. . (1.2.)

Имеется подобие и между граничными условиями. На границе раздела диэлектриков тангенциальная и нормальная составляющие вектора напряженности электростатического поля подчиняются условиям:

 E1=E2, 1E1n=2E2n. (1.3.)

В проводящей среде непрерывность тангенциальных составляющих следует из потенциальности поля тока. Граничные условия для нормальных составляющих вектора плотности тока следуют из уравнения непрерывности тока:

 J1n=J2n, 1E1n=2E2n. (1.4.)

Из подобия граничных условий следует, что проводящая среда с током может служить моделью для исследования электростатического поля, если проводимость среды заменить диэлектрической проницаемостью , а электроды в обоих случаях расположить одинаково. Измерить распределение потенциала в проводящей среде значительно проще, чем в диэлектрике, поэтому измерения на модели предпочтительнее, чем на электростатическом оригинале.

3. Описание экспериментальной установки.

Моделирование электростатических полей токовым методом производится с использованием специальных плат, имеющих по два электрода, прижатых к электропроводной пленке. Форма листа пленки выбирается такой, чтобы моделировались интересующие нас распределения электростатического поля.

Работа выполняется на лабораторном комплексе ЛКЭ-7. Общий вид установки приведен на рис.1.1. На каркасе установки закреплен приборный модуль с источником напряжения 1, мультиметром 3 и пантографом 2. Пантограф содержит рейку 2.1, перемещаемую по оси y с отсчетом координаты по линейке 2.2 и, перемещаемую по рейке каретку 2.3 с отсчетом координаты x по линейке 2.4. Положение рейки фиксируется винтом 2.5. Каретка несет держатель щупа 2.6 и упругий кронштейн 2.7 с держателем фломастера 2.8. В отверстие держателя 2.6 вставлен подпружиненный щуп. В пазы каркаса модуля вставляется одна из плат. Фломастер слегка зажимается в держателе 2.8 прижимным винтом. На верхнюю пластину конденсатора 4 накладывается лист миллиметровой бумаги. По углам лист наколот на 4 шпильки, выступающие из пластины вверх.

При нажатии сверху щуп касается металлическим электродом электропроводной пленки, размещенной на плате. Подключенный к щупу вольтметр измеряет потенциал соответствующей точки пленки относительно общего провода. Найдя точку с нужным потенциалом, нажимают на упругий кронштейн 2.7, и фломастер фиксирует положение этой точки на бумаге. Одновременно регистрируют координаты этой точки x, y. Мультиметр 8 работает согласно заводскому описанию.

4. Порядок выполнения работы.

4.1. Вставьте в пазы каркаса одну из плат для моделирования полей. Слегка прижмите плату винтом, выступающим вправо от борта каркаса.

4.2. Соберите схему согласно рис.1.2.

4.3. Установите лист миллиметровой бумаги на пластине конденсатора, наколов углы листа на шпильки. Вставьте щуп и один из фломастеров в соответствующие держатели.

4.4. При помощи пантографа отобразите на миллиметровке конфигурацию электродов и электропроводящей бумаги. ЗАПРЕЩАЕТСЯ ПЕРЕМЕЩАТЬ ЩУП, ПРИЖАТЫЙ К ПЛЕНКЕ, – это приведет к быстрому износу пленки. ФЛОМАСТЕРОМ, ЗАКРЕПЛЕННЫМ В ДЕРЖАТЕЛЕ, ЗАПРЕЩАЕТСЯ РИСОВАТЬ ЛИНИИ, можно отмечать только точки.

Рис.1.1. Общий вид комплекса ЛКЭ-7.

Рис.1.2. Схема опыта.

4.5. Процесс измерений выполняется следующим образом:

4.5.1. Установите подвижную рейку 2.1 так, чтобы щуп находился на оси симметрии электродов. Зафиксируйте рейку винтом 2.5. Установите диапазон измерения мультиметра на постоянное напряжение – 20В. Включите установку.

4.5.2. Для измерения потенциала нажмите на щуп с усилием около 0,3 кг, добиваясь его контакта с электродом. Определите потенциал левого электрода относительно правого по показаниям мультиметра.

4.5.3. Щуп на подвижной рейке зафиксируйте справа от левого электрода так, чтобы показания мультиметра при нажатом щупе были на 0,5 В меньше потенциала электрода. Запрещается перемещать щуп, прижатый к пленке, – это приведет к быстрому износу пленки. Отметьте это положение на листе миллиметровки, нажав на кронштейн с фломастером.

4.5.4. Перемещая каретку 2.3 по оси x вправо с таким шагом, чтобы показания потенциала на мутьтиметре отличались в соседних точках приблизительно на 0,5 В, отметьте такие точки на миллиметровке. Рекомендуется точки с разными потенциалами отмечать различными цветами, чередуя их.

4.5.5. Заполните первые две строчки табл.1.1 (выбранные значения потенциала и координата x).

Таблица 1.1.

Цвет

красн.

желт.

зелен.

синий

красн.

желт.

зелен.

U, В

x, м

U, В

x, мм

Ex, В/м

4.5.6. Сместите подвижную рейку на 10 мм вверх.

4.5.7. Перемещая каретку по рейке, найдите и отметьте соответствующим цветом точки с выбранными значениями потенциала электрического поля.

4.5.8. Повторяйте п.п. 4.5.6.-4.5.7. пока не достигнете края электропроводной пленки.

Таким образом, рекомендуемый шаг по оси y -10 мм, по оси x -0,5В.

Полученная на миллиметровке система точек позволяет определить эквипотенциальные линии (эквипотенциали).

4.6. Выключите установку и разберите схему.

4.7. Отмеченные точки с равными потенциалами соедините карандашом плавной кривой, получив эквипотенциали. Используя ортогональность линий напряженности электрического поля эквипотенциалям, изобразите карандашом 7-9 силовых линий. Определите их направление по изменению напряжения между электродами.

4.8. Для оси симметрии системы электродов рассчитайте значения напряженности электрического поля

 Ex U/x, (1.5)

где U – разность потенциалов, x – расстояние между соседними эквипотенциалями. Заполните табл.1.1.

4.9. Постройте график зависимости напряженности электрического поля E(x) от координаты x для оси симметрии системы электродов.

5. Контрольные вопросы.

5.1. Электрические заряды и их основные свойства.

5.2. Основные характеристики электрического поля.

5.3. Свойства силовых линий и эквипотенциальных поверхностей.

5.4. Электрическое поле на границе двух диэлектриков.

5.5. Основания выбора метода моделирования в работе.

5.6. Можно ли использовать моделирование для исследования электростатических полей с неоднородным диэлектриком?

Рекомендуемая литература.

  1.  Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов.– 2-е изд., испр. и доп.– М.: Высш. шк., 1999.– 718 с.: ил.
  2.  Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – 3-е изд., испр. –М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 496 с., ил.
  3.  Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов.– 5-е изд., стер.– М.: Высш. шк., 1998.– 542 с.: ил.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84837. Теория поведения потребителя 61.25 KB
  Рынок – это экономическая система, ориентированная на потребителя. Этим обстоятельством объясняется интерес экономической науки к тому, как ведет себя потребитель, какими мотивами он руководствуется, делая выбор благ, каковы закономерности, управляющие его поведением на рынке.
84838. Исследование функций. Возрастание и убывание функций 65.09 KB
  Такие функции называют монотонными в интервале а b. Точка называется точкой максимума функции у = f x если cуществует такая окрестность точки что для всех из этой окрестности выполняется неравенство fx f. Точка называется точкой минимума функции у = f x если cуществует такая окрестность...
84839. СИСТЕМИ ОБЛІКУ ВИТРАТ І КАЛЬКУЛЯЦІЇ СОБІВАРТОСТІ 235 KB
  Калькуляцію використовують для досягнення наступних цілей: встановлення рівня беззбитковості ціни, тобто яку ціну на продукцію або послуги слід встановити, щоб підприємство могло відшкодувати понесені витрати; контролю витрат у виробництві, тобто який підрозділ використовує ресурси найефективніше...
84840. КЛАСИФІКАЦІЯ ВИТРАТ ДІЯЛЬНОСТІ В УПРАВЛІНСЬКОМУ ОБЛІКУ 235.5 KB
  Найекономічнішим і доцільним підхідом до побудови системи обліку витрат і калькуляції собівартості – це виділення типових груп управлінських рішень (наприклад, контроль за трудовитратами або використанням матеріалів) і вибір відповідних...
84841. Податкові розрахунки, їх сутність та місце в системі оподаткування 22.59 KB
  База оподаткування - це фізичний, вартісний чи інший характерний вираз об’єкта оподаткування, до якого застосовується податкова ставка і який використовується для визначення розміру податкового зобов’язання.
84842. Биологическое окисление. Тканевое дыхание. Окислительное фосфорилирование 24.91 KB
  Жизнь высших организмов полностью зависит от поступления в организм кислорода, который используется в основном в процессе аккумуляции клеткой энергии в виде АТФ - окислительного фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование позволяет аэробным организмам улавливать значительное количество...