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

26608. ТРАНСПОРТИРОВКА СКОРОПОРТЯЩИХСЯ ПРОДУКТОВ 8.39 KB
  ТРАНСПОРТИРОВКА СКОРОПОРТЯЩИХСЯ ПРОДУКТОВ. Главными задачами транспортировки являются быстрая доставка продуктов к местам назначения и сохранение их первоначальных качеств. Температурный режим при перевозке скоропортящихся продуктов В рефрижераторных поездах и секциях устанавливается в зависимости от температуры груза в момент погрузки. Совместная перевозка в одном вагоне разных видов скоропортящихся продуктов допускается при условии одинакового способа их обслуживания и на срок не превышающий установленного для наименее стойкого груза.
26609. ТРАНСПОРТИРОВКА СКОТА АВТОМОБИЛЬНЫМ ТРАНСПОРТОМ, ПО ЖЕЛЕЗНЫМ ДОРОГАМ И ВОДНЫМ ПУТЯМ. АВТОМОБИЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ 9.12 KB
  В 23 раза по сравнению с железнодорожным транспортом автомобильные перевозки ускоряют доставку животных на убой. В них не должно быть торчащих предметов дыр в полу и других неисправностей которые могли бы травмировать животных. Для предохранения животных от перегрева и охлаждения кузова покрывают брезентом. Крупных животных размещают в кузове на привязи головами вперед или к боковой стенке овец свиней и молодняк крупного рогатого скота перевозят без привязи.
26610. ТРЕБОВАНИЯ ГОСТ-52054-2003 К КАЧЕСТВУ ЗАГАТАВЛИВАЕМОГО МОЛОКА 8.95 KB
  По действующему ГОСТ 520542003 молоко натуральное коровьесырсч. Молоко высшего и первого сорта имеет кислотность 1ё18Т второго сорта 1б2099Т несортовое менее 1599 или более 2100. Молоко контролируемое в местах его продажи не должно иметь кислотность выше 20Т. В соответствии с требованиями ГОСТ молоко коров должно быть натуральным белого или слабокремового цвета без осадка и хлопьев.
26611. ФЕРМЕНТЫ МОЛОКА 8.76 KB
  ФЕРМЕНТЫ МОЛОКА. Из молока здоровых животных выделено более 20 истинных ферментов. Кроме истинных в молоке присутствуют ферменты вырабатываемые микрофлорой молока. Протеолитические и липолитические ферменты вызывают изменения приводящие к снижению пищевой ценности и возникновению пороков молока и молочных продуктов.
26612. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МЯСА, ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА КАЧЕСТВО МЯСА 17.87 KB
  ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ. Наиболее типичный состав мышечной ткани у убойных животных характеризуется следующими данными в : влага вода7377; белки 1821; липиды 1030; экстрактивные азотистые вещества 1720; экстрактивные безазотистые вещества 0912; минеральные вещества 0812. ВОДА в мышечной ткани находится в гидратно связанном и свободном состояниях. Остальная большая часть воды находится в свободном состоянии и удерживается в ткани благодаря осмотическому давлению и адсорбции клеточными элементами.
26613. ЦИСТИОЦИРКОЗ КРС И СВИНЕЙ.САНИТАРНАЯ ОЦЕНКА МЯСА 7.71 KB
  При ветеринарносанитарной экспертизе туш и органов внимание уделяется обнаружению цистицерков бовисных крупного рогатого скота и целлюлярных свиней. Диагностика заболевания основана на обнаружении цистицерков в тушках и органах только при послеубойном исследовании. У крупного рогатого скота цистицерков часто обнаруживают в сердечной мышце реже их находят в массеторах мышце языка поясничных локтевых шейных и брюшных мышцах. Цистицерков можно обнаружить в мышцах затылка пищевода и диафрагмы.
26614. ПИЩЕВЫЕ ОТРАВЛЕНИЯ, ВЫЗЫВАЕМЫЕ САЛЬМОНЕЛЛАМИ И СТАФИЛОКОККАМИ. ПАТОГЕННОСТЬ БАКТЕРИЙ РОДА САЛЬМОНЕЛЛА ДЛЯ ЖИВОТНЫХ 33.29 KB
  ПАТОГЕННОСТЬ БАКТЕРИЙ РОДА САЛЬМОНЕЛЛА ДЛЯ ЖИВОТНЫХ. Патогенное действие сальмонелл на животных проявляется при нарушении сложных механизмов между микро и макроорганизмами. В литературе к настоящему времени накопил ось достаточное количество данных свидетельствующих о несостоятельности разграничения сальмонелл на патогенных только для человека животных или птиц. У животных и птиц в естественных условиях сальмонеллы являются возбудителями инфекционных болезней именуемых сальмонеллезами.
26615. ПИЩЕВЫЕ ОТРАВЛЕНИЯ. ТОКСИКОИНФЕКЦИЯ ПАРАТИФОЗНОГО ХАРАКТЕРА 25.71 KB
  Токсикоинфекции и токсикозы представляют собой обширную группу преимущественно острых пищевых заболеваний людей. Однако возможное вредное влияние пищевых продуктов на организм человека может быть обусловлено различными причинами. а также возникающие в определенных районах или в определенный период времени года заболевания после употребления в пищу мяса перепелок озерной рыбы и других пищевых продуктов.
26616. ПОРОКИ МОЛОКА БАКТЕРИАЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ 10.68 KB
  ПОРОКИ МОЛОКА БАКТЕРИАЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ. К факторам вызывающим пороки молока относят физиологическое состояние лактирующих животных общее заболевание организма или только молочной железы несоблюдение условий содержания и кормления скота неудовлетворительное состояние животноводческих помещений состояние пастбищ использование недоброкачественных кормов скопление в молоке лекарственных препаратов нарушение технологии первичной обработки молока и др. ПОРОКИ ЦВЕТА МОЛОКА бывают бактериального и кормового происхождения а также...