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

197 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

50006. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА 308.5 KB
  Этот процесс распространения переменного электромагнитного поля в свободном пространстве с конечной скоростью с = 3108 м с скоростью света в вакууме называется электромагнитной волной. В этом случае изменения вектора Ē и соответственно Ħ происходят всегда в одной и той же плоскости называемой плоскостью поляризации света. Плоскость образованная направлением распространения волны осью х и направлением изменения вектора Ē называется плоскостью поляризации света.
50007. ПРОВЕРКА ОСНОВНОГО ЗАКОНА ДИНАМИКИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ НА КРЕСТООБРАЗНОМ МАЯТНИКЕ ОБЕРБЕКА 2.82 MB
  Наша задача рассмотреть вращение абсолютно твердого тела относительно неподвижной оси. При вращении твердого тела траектории всех точек тела являются концентрическими окружностями центры которых лежат на оси вращения. Если положение оси вращения в пространстве с течением времени остается неизменным то в этом случае говорят что тело вращается около неподвижной оси. В этом случае плоскости всех концентрических окружностей перпендикулярны оси вращения а центры окружностей лежат на оси вращения.
50008. Очерк жизни и педагогической деятельности преподавателя Оршанского педагогического колледжа им. И.К. Глушкова Татьяны Александровны Сморкаловой 11.31 MB
  Высокий уровень знаний выпускников Татьяны Александровны и качество их работы в дошкольных образовательных учреждениях подтверждает то, что цели, поставленные ею - научить студентов мастерству рисования и передать любовь к изобразительному искусству детям, успешно достигаются.
50010. Оператор ввода-вывода в Pascal 75 KB
  Составной оператор служит для записи в свое тело других операторов, последовательность которых рассматривается в данном случае как один оператор. Этим оператором начинается и заканчивается раздел выполнения основной программы, подпрограммы, функции. После последнего оператора END основной программы ставится точка.
50011. Методы оценки надежности конструкций 260.5 KB
  Он заключался в том что для любого волокна конструкции должно было выполняться условие k S Sдоп где Sдоп допускаемое напряжение; S напряжение в волокне определяемое методами строительной механики; k коэффициент запаса. В этом методе коэффициент запаса для всех конструкций из данного материала был одинаков что не отвечало фактической работе таких комплексных материалов какими являются железобетон и каменная кладка компоненты которых имеют различные механические характеристики и в соответствии с этим в различной степени и с...
50013. ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПОТОК 26.5 KB
  Это особенно заинтересовано обеспокоено окончательным использованием этой информации или как основание для решения или действия или как ввод к другой системе или деятельность inhere немного сомнения что успех специфического приложения зависит тяжело от полного знания информационного потока в течение стадии планирования. Характеристики информации Хотя мы передаем информацию в некоторой физической форме напечатанные слова звуки ударил кулаком платы информация непосредственно Не материален. Даже при том что мы не можем видеть или...
50014. ВИЗНАЧЕННЯ СТАЛОЇ СТЕФАНА–БОЛЬЦМАНА 205 KB
  Прилади і матеріали Оптичний пірометр із зникаючою ниткою електрична лампочка розжарення регулятор напруги ватметр блок живлення пірометра акумуляторна батарея В даній лабораторній роботі для знаходження сталої СтефанаБольцмана застосовується метод порівняння потужності електричного струму яка витрачається на розжарення вольфрамової нитки електричної лампочки і потужності теплового випромінювання з поверхні цієї нитки. Прилади для вимірювання температури нагрітих тіл за інтенсивністю їх теплового випромінювання в оптичному...