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

198 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

59819. ВЕСЕЛИЙ ВЕРНІСАЖ 224 KB
  Ви готові зустріти їх Тоді оплески бо я запрошую учасників Веселого вернісажу€ на сцену Команда ЕМЕМДЕМС вона представляє 8А клас. Поки виходить команда на сцену звучить Весела пісня€. Команда ВЕСЕЛІ ТА ДОТЕПНІ€. Поки виходить команда на сцену звучить Весела пісня.
59820. Казковий вернісаж 66 KB
  Мета: - підвищувати мотивацію учнів молодшої та середньої школи до вивчення іноземної мови; - розвивати навички діалогічного та монологічного мовлення серед учнів середньої школи; - сприяти розвитку міжкультурної компетенції;...
59822. Альтернативний токарний верстат з механічним приводом 1.18 MB
  Серед архівних документів що якось інформують нас про створення токарного верстата є такі з яких видно що майстри древнього Єгипту ще 1500 років до нашої ери застосували цей спосіб для різання й обточування циліндричних форм різної конфігурації.
59823. Прийшли щедрувати до вашої хат 55 KB
  Зайнялася ясна зірка ясна зірка зпід вечірка. Добрий вечір господарю у вашій оселі Прийміть наші побажання на свята веселі. Щоби в свят вечір скрізь лунали колядки давні голосні І в щедрий вечір засівали зерном світлиці нам усім.
59824. Зветься веселково – Україною наша рідна батьківська земля 50 KB
  Учениця: Дорогі гості щиро вітаємо вас у нашій світлиці. Учениця: Батьки вчили дітей цінувати кожну крихту хліба і завжди памятати що хліб це життя. Учениця: У нашому музеї зібрані предмети народного побуту що були незамінні в господарстві.
59825. Веселый урок здоровья 51.5 KB
  Входит Доктор Учитель: Да это же доктор Умывальников Доктор: Добрый врач бывалый врач Чуть услышит детский плач В ранний час и в полночь Поспешит на помощь. Я Добрый Доктор Умывальников. Выбегают Лентяи Доктор: Нет это не они.
59826. А вже весна воскресла. Сценарій Свято Великодня для середньої та старшої групи 36.5 KB
  Діти середньої групи співають пісню Люба веснонька весна збірник Весняне намисто Вед.: Коли Великдень ми стрічаєм Діти: Цвітуть садицвітуть поля Вед.: Коли Великдень ми стрічаєм Діти: Весною дихає земля Вед. Дітиразом Бог із нами Радість з нами Хай будуть вічно на землі...
59827. Виховний захід. Мелодії весни 43.5 KB
  Ведучий – Чи не правда, чудова пора року весна. Все прокидається, народжується, радіє. Природа ніби зачаровує нас своєю красою. Квітковий розмай, зелень трав, чарівність звуків!!!