3032

Изучение характеристик электростатического поля

Лабораторная работа

Физика

Изучение характеристик электростатического поля. Цель работы Исследовать электростатическое поле, графически изобразить сечение эквипотенциальных поверхностей и силовые линии для некоторых конфигураций поля. Основные теоретические сведения. Любо...

Русский

2012-10-23

253 KB

366 чел.

Изучение характеристик электростатического поля

1. Цель работы

Исследовать электростатическое поле, графически изобразить сечение эквипотенциальных поверхностей и силовые линии для некоторых конфигураций поля.

2. Основные теоретические сведения

Любое заряженное тело создает в пространстве вокруг себя электромагнитное поле и взаимодействует с внешним электромагнитным полем. Поле, создаваемое  неподвижными зарядами, называется электростатическим. Знание характеристик электрического поля требуется при работе с линиями связи, антеннами, резонаторами, полупроводниковыми приборами и другими устройствами.

Электростатическое поле в каждой точке пространства характеризуется двумя величинами: напряженностью и потенциалом. Силовая характеристика поля- напряженность- векторная величина, численно равная силе, действующей на единичный положительный точечный заряд, помещенный в данную точку поля:

                              (1)

Из определения следует, что сила, действующая со стороны электрического поля на точечный заряд, равна:

                               (2)

Единица измерения напряженности электрического поля Вм.

Энергетическая характеристика электрического поля- потенциал- скалярная величина, численно равная потенциальной энергии единичного точечного положительного заряда, помещенного в данную точку поля:

                                (3)

Потенциал измеряется в вольтах: 1В= 1ДжКл. Потенциал определяется с точностью до произвольной постоянной ( как и потенциальная энергия) и может принимать положительные и отрицательные значения. Физический же смысл имеет величина- разность потенциалов. Разность потенциалов связана с работой сил электрического поля по перемещению точечного заряда следующим образом:

                  (4)

где 1 и 2- потенциалы начальной и конечной точек положения заряда q. Напомним, что введение понятий потенциала и потенциальной энергии заряда в электрическом поле связано с тем, что работа по перемещению заряда в электрическом поле не зависит от траектории перемещения, а определяется лишь начальным и конечным положением заряда. В соответствии с (4) эта работа определяется разностью потенциалов начальной и конечной точек.

Найдем взаимосвязь между характеристиками электростатического поля- напряженностью и потенциалом. Для этого рассчитаем работу при малом перемещении точечного заряда q в электрическом поле. По определению, элементарная механическая работа

                                   (5)

В соответствии с (4) эта же работа равна

                               (6)

Сопоставляя формулы (5) и (6) и учитывая формулу для силы (2) получим

                                (7)

Спроецировав выражение (7) на оси координат, получим:

,      ,           (8)

Из формул (8) легко “сконструировать” вектор напряженности электрического поля:

                    (9)

Выражение в скобках называется градиентом потенциала и сокращенно записывается так:

     или                      (10)

Градиент функции- это вектор, характеризующий скорость пространственного изменения функции и направленный в сторону максимального возрастания этой функции. Как видно из формулы (10), вектор напряженности электрического поля направлен в сторону, противоположную максимальному возрастанию потенциала.

Отметим, что во многих практических задачах требуется знание  напряженности электрического поля. Однако, легче рассчитать скалярную величину- потенциал, а затем по формуле  (10) вычислить вектор напряженности электрического поля. Формула (10) упрощается, если электрическое поле однородно, обладает аксиальной или центральной симметрией:

                                                   (11)

где r- направление изменения электрического поля.

Электростатическое поле удобно изображать графически в виде силовых линий и эквипотенциальных поверхностей. Условились силовые линии электрического поля проводить таким образом, чтобы касательная к силовой линии в данной точке совпадала с направлением вектора напряженности электрического поля в данной точке, а число силовых линий, приходящихся на единичную перпендикулярную к ним площадку, равнялось модулю вектора E.

Эквипотенциальные поверхности- поверхности, во всех точках которых потенциал имеет одинаковое значение. Эквипотенциальные поверхности целесообразно проводить так, чтобы разность потенциалов между соседними поверхностями была бы для всех поверхностей одинаковой. Тогда по густоте эквипотенциальных поверхностей можно судить о значении напряженности поля в разных точках. Величина напряженности больше там, где эквипотенциальные поверхности расположены ближе друг к другу. В качестве примера на рис.1 приведено двумерное изображение электростатического поля.

Поскольку работа по перемещению заряда вдоль эквипотенциальной поверхности равна нулю, то исходя из формул (6) и (7) можно показать, что в каждой точке вектор напряженности электрического поля перпендикулярен эквипотенциальной поверхности и направлен в сторону уменьшения потенциала. Т.е. силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

Если заряженные тела погрузить в проводящую среду, то в ней потечет электрический ток. Чтобы ток не прекращался, требуется непрерывное возобновление исходных зарядов путем подключения тел к внешнему источнику. В каждой точке среды ток характеризуется плотностью тока j- величиной тока, приходящейся на единицу площади, перпендикулярной направлению тока. Между плотностью тока и напряженностью электрического поля существует связь, называемая законом Ома в дифференциальной форме:

                                      (12)

где - удельная электропроводность среды, величина, обратная удельному сопротивлению. При постоянном токе распределение заряда в пространстве не  изменяется и электрическое поле точно такое же, как и в электростатическом случае.  Из уравнения (12) следует, что картина силовых линий электрического поля должна совпадать с картиной линий электрического тока. Эквипотенциальным линиям будут соответствовать линии, между точками которых отсутствует электрическое напряжение.

3. Экспериментальные результаты.

Описание лабораторной установки:

установка представляет собой прямоугольную ванну с электролитом, в которую погружены два электрода. Электроды присоединены к источнику постоянного низковольтного напряжения. Один из электродов через вольтметр связан с подвижным зондом (курсор). Вольтметр показывает напряжение между  отрицательно заряженным электродом и точкой в ванне, в которую помещен зонд.

На рис.1,2  графическое изображение электрического поля при различных положениях электродов. В первом случае электроды представляют собой два тонких кольца радиусом 1 см, во втором- отрицательно заряженная плоскость и положительно заряженное тонкое кольцо радиусом 1 см.

Рис.1

Рис.2

В точках с координатами (4,8), (10,8) и (17,8) величину напряженности электрического поля по формуле(11). Так как поле однородно, т.е. на каждую единицу длины изменение потенциала остается постоянным, то:

.

4. Контрольные вопросы

1. Дайте определение электростатического поля и его характеристик.

Ответ:

   Электрическое поле, созданное системой неподвижных зарядов, называется электростатическим полем. Так как электростатическое поле является частным случаем поля электрического, то их характеристики одинаковы.

Напряженность поля.                                                                            Поле, создаваемое зарядом Q, действует на qпр с силой Fk
Отношение силы к заряду всегда остаётся постоянным

Е - величина напряженности электрического поля, создаваемого зарядом Q на расстоянии r.

 Потенциал - энергетическая характеристика электрического поля, указывающая на способность поля перемещать заряды в пространстве.

Для заряда, формулирующего поле, отношение работы к величине переносимого заряда из данной точки поля в бесконечность является характеристикой заряда, формирующего поле, и есть величина постоянная. Это отношение и есть энергетическая характеристика электрического поля и называется потенциалом данной точки поля, созданного зарядом Q.

2. Оцените величину силы, действующей на электрон, помещенный в некоторую точку исследуемого поля.

Ответ:

Поле, создаваемое зарядом Q, действует на qпр с силой

3. Рассчитайте работу по перемещению электрона между двумя точками в исследуемом поле (точки выбираются произвольно).

Ответ:

Если траектория перемещения заряда (от точки 1 к точке 2) носит произвольный характер, тогда работа на участке (1-2):

4. Могут ли пересекаться линии вектора напряженности электрического поля?

Ответ:

Вектора напряженности заряженных тел всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям, а значит, всегда перпендикулярны собственной поверхности заряженного тела. Следовательно, линии вектора напряженности электрического поля пересекаться не могут.

5. Могут ли пересекаться эквипотенциальные линии? Почему?

Ответ:

В трехмерном пространстве вблизи любого заряженного тела совокупность точек, потенциалы которых одинаковы, образуют эквипотенциальную поверхность. Следовательно, пересекаться эквипотенциальные поверхности с разными потенциалами не могут.

6. Какое ускорение приобретает электрон, двигаясь по эквипотенциальной линии?

Ответ:

Двигаясь по эквипотенциальной линии, электрон имеет  ускорение равно нулю.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28249. Гуманистический (К.Роджерс, А. Маслоу), экзистенциальный (В.Франкл, Р.Мэй, И. Ялом) и гештальт (Ф. Перлз, К.Левин) подходы к исследованию личности и психотерапия 68 KB
  Основные положения гуманистической психологии: 1человек должен изучаться в его целостности; 2каждый человек уникален поэтому анализ отдельных случаев не менее оправдан чем статистические обобщения; 3переживания человеком мира и себя в мире являются главной психологической реальностью; 4человеческая жизнь единый процесс становления и бытия человека; 5человек открыт к непрерывному развитию и самореализации которые являются частью его природы; 6человек обладает определенной степенью свободы от внешней детерминации благодаря смыслам и...
28250. Культурно-историческая психология (Выготский Л.С., Леонтьев А.Н.) 49 KB
  В основе теории лежат 2 гипотезы: об опосредованном характере психической деятельности о происхождении внутренних психических процессов из деятельности первоначально внешней и интерпсихической Выготский выдвигает предположение что в психике человека существует особенность соответствующая той роли которую играют труд употребление и создание орудий в его производственной деятельности. Эта особенность в опосредованном характере психической деятельности людей основа исторического подхода к изучению человека. Психическая деятельность...
28251. Гуманистическая психология (А.Маслоу, К.Роджерс и др.) 48 KB
  Бихевиоризм фактически сводит жизнедеятельность к манипуляциям и тем самым низводит человека до уровня стимульнореактивного механизма. Основные положения гуманистической психологии: человек должен изучаться в его целостности; каждый человек уникален поэтому анализ отдельных случаев не менее оправдан чем статистические обобщения; переживания человеком мира и себя в мире являются главной психологической реальностью; человеческая жизнь единый процесс становления и бытия человека; человек открыт к непрерывному развитию и самореализации...
28252. Когнитивная психология (Дж.Миллер, У.Найссер и др.) 40 KB
  КОГНИТИВНАЯ ПСИХОЛОГИЯ одно из ведущих направлений современной зарубежной психологии. Хотя ощущение и восприятие механическая а позже логическая память мышление и речь как психические функции действия или процессы были первыми объектами исследований в ранней экспериментальной психологии но все же первыми научными направлениями завоевавшими психологическое пространство в начале нашего века были бихевиоризм психоанализ и гештальтпсихология в меньшей степени интересовавшиеся указанными процессами как таковыми. Лишь к 60м годам...
28253. Виды ощущений (по Б.Г.Ананьеву) 39 KB
  Так тактильные вибрационные мышечные вестибулярные ощущения отражают определенные моменты и свойства механического движения различных тел в том числе и тела человека. Интерорецепция вкусовые болевые температурные ощущения специфически связаны с основными явлениями жизнедеятельности биологической формой движения материи. механические формы движения тактильные вибрационные мышечные вестибулярные молекулярные формы движения зрительные слуховые вибрационные температурные химические формы движения обонятельные...
28254. Эволюция и психологичсское значение дистантных ощущений. Отражение пространства при парной работе дистантных анализаторов 47 KB
  1 базальные ощущения тактилънокинестетическое осязание 2 ведущие зрение слух от них идет максимальная информация 3 сквозные ощущения кинестетические движение. Дистанционные ощущения в процессе эволюции развились позже контактных: вибро и хеморецепция обоняние слух зрение как повышение адапгивных возможностей организма ОТРАЖЕНИЕ ПРОСТРАНСТВА функция парных анализаторов напр. Бинокулярное зрение При раздражении несоответствующих диспарантных точек бинокулярное зрение или дизассоциируется раздваевается или...
28255. Особая роль осязания в структуре сенсорной организации человека и его значение в процессах познания и труда (Ананьев, Веккер, Ломов, Ярмоленко) 27 KB
  Осязание в процессах познания и труда которая в 1961 году была удостоена премии К. Осязание органически связано со всей структурой чувственной репрезентации человека. Осязание способность животных и человека воспринимать действие факторов внешней среды с помощью рецепторов кожи опорнодвигательного аппарата мышц сухожилий суставов и др. Осязание существенно расширяет представления организма об окружающем мире играет важную роль в его жизнедеятельности.