37954

Исследование электростатического поля и изображение его при помощи силовых линий и поверхностей равного потенциала

Лабораторная работа

Физика

Исследование электростатического поля Цель работы Экспериментальное исследование электростатического поля и изображение его при помощи силовых линий и поверхностей равного потенциала. Напряженностью электрического поля называют силу действующую на единичный положительный пробный заряд. Если электрическое поле создается системой зарядов то напряженность поля в данной точке определяется по принципу суперпозиции...

Русский

2015-01-16

867.5 KB

33 чел.

Содержание

  1.  Цель работы…………………………………………………………….4
  2.  Теоретическая часть…………………………………………………...4
  3.  Приборы и принадлежности……………………………….….………8
  4.  Описание установки………………………………………….………..8
  5.  Требования по технике безопасности……………………….………..9
  6.  Порядок выполнения работы………………………………….………9
  7.  Требования к отчету………………………………………….………10
  8.  Контрольные вопросы………………………………………………..10

Список литературы……………………………………………………..10

Лабораторная работа № 31

Исследование электростатического поля

  1.  Цель работы

Экспериментальное исследование электростатического поля и изображение его при помощи силовых линий и поверхностей равного потенциала.

  1.  Теоретическая часть

Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Наличие электрического заряда проявляется в том, что заряженное тело взаимодействует с другими заряженными телами.

Взаимодействие между покоящимися зарядами осуществляется через электрическое поле. Всякий заряд изменяет свойства окружающего пространства: создает в нем электрическое поле. Поле неподвижных зарядов не меняется со временем и называется электростатическим. Оно проявляет себя в том, что если в некоторую точку пространства поместить пробный электрический заряд, то на него будет действовать сила. Пробным называется настолько малый точечный заряд, чтобы при его внесении в поле можно было пренебречь перераспределением заряда на телах, создающих поле.

Напряженностью электрического поля называют силу, действующую на единичный положительный пробный заряд:

                                                .                                             (2.1) Если поле создано точечным зарядом q0, то сила, действующая на пробный заряд qпр, определится из закона Кулона:

                                              ,                                      (2.2) где  – сила, действующая на заряд qпр со стороны заряда q0,             – радиус–вектор, проведенный из точки 1, где находится заряд q0 в точку 2, где находится заряд qпр.

Коэффициент k зависит от выбора системы единиц измерения. В системе СИ единицей заряда является 1Кл (Кулон). Сила измеряется в ньютонах, расстояние в метрах. Для согласования единиц измерения с результатами опытов коэффициент k в системе СИ должен быть равен 9·10 Н·м²/Кл². Этот коэффициент часто представляют в виде k=1/4πε0, где ε0=8,85·10־¹² Ф/м, величина ε0 называется электрической постоянной.

Из соотношений (2.1) и (2.2) следует, что точечный заряд q0 создает вокруг себя электрическое поле с напряженностью:

                                         ,                                    (2.3)

где r – радиус–вектор точки пространства, проведенный из точки, в которой находится заряд q0.

Если электрическое поле создается системой зарядов, то напряженность поля в данной точке определяется по принципу суперпозиции:

                                             ,                             (2.4)

где qi – величина заряда с номером i, ri – радиус–вектор точки, в которой определяется напряженность, проведенный из той точки, где находится заряд qi.

Для наглядного изображения электрических полей пользуются методом силовых линий. Силовая линия есть математическая линия, направление касательной к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности электрического поля в той же точке. Линии  точечного заряда представляют собой совокупность радиальных прямых, направленных от заряда, если он положителен, и к заряду, если он отрицателен. Линии одним концом опираются на заряд, другим уходят в бесконечность.

Работа сил электрического поля, созданного точечным зарядом , по перемещению заряда q из точки 1 в точку 2, вычисляется через криволинейный интеграл (все обозначения на рис. 2.1).

          

                                           (2.5)

Рис. 2.1

Из формулы (2.5) следует, что работа сил электростатического поля по перемещению заряда из точки 1 в точку 2 не зависит от формы пути, а зависит лишь от положения начальной (1) и конечной (2) точки. Такое поле называется потенциальным.

Работу, совершаемую силами поля при перемещении единичного положительного заряда по произвольному пути из точки 1 в точку 2, называют разностью потенциалов:

                                              .                                  (2.6)

За единицу потенциала принимается такая разность потенциалов, при которой перемещение единицы заряда сопровождается работой, равной единице.

В системе СИ это 1 вольт: 1В=1Дж/1Кл.

Разность потенциалов между точками 1 и 2 можно выразить через напряженность поля:

                     .                     (2.7)

Напряженность поля можно определить, если известны значения потенциала в каждой точке пространства:

                      .             (2.8)

Векторная функция  скалярной величины  называется её градиентом. Из соотношения (2.8) следует размерность напряженности электрического поля: в системе СИ единицей напряженности является 1 В/м.

Поверхность в пространстве, во всех точках которой потенциал имеет одно и тоже значение, называется эквивалентной (рис. 2.2).

На рис. 2.2 оси Х и У являются касательными к эквипотенциальной поверхности , значит, в направлении осей Х и У потенциал не меняется, а следовательно производные . Ось Z направлена по нормали  к эквипотенциальной поверхности в сторону возрастания величины потенциала, так как только производная  отлична от нуля, то , значит, функция  наиболее быстро возрастает в направлении нормали  к эквипотенциальной поверхности.

Поскольку вектор , то он направлен в сторону наибольшего убывания потенциала. Силовые линии электростатического поля нормальны к эквипотенциальным поверхностям.

В данной работе предлагается определить положение эквипотенциальных поверхностей, которые ортогональны (нормальны) силовым линиям поля, и затем построить силовые линии.

В основу изучения распределения потенциалов в электростатическом поле часто кладется так называемый метод зондов. Его сущность заключается в следующем: в исследуемую точку поля вводится специальный дополнительный электрод–зонд, по возможности так устроенный, чтобы он минимально нарушал своим присутствием исследуемое поле. Этот зонд соединяется проводником с прибором, измеряющим приобретенный зондом в поле потенциал по отношению к какой-нибудь избранной за начало отсчета точке поля. При этом необходимо обеспечить такие условия, чтобы этот зонд принял потенциал той точки поля, в которую он помещен. Только тогда показания прибора, соединенного с зондом, будут давать правильную картину распределения потенциалов в исследуемом поле.

Электростатическое поле моделируется электрическим полем стационарных  токов. Силовые линии поля совпадают с линиями стационарных токов согласно закону Ома:

.

Опыт показывает, что электрические заряды, участвующие в стационарном  токе, создают в пространстве такие же кулоновские поля, как и неподвижные заряды. Электрическое поле стационарных токов потенциально.

Замена изучения поля неподвижных зарядов изучением поля тока дает возможность применить в качестве зондов металлические электроды, так как в проводящей среде автоматически происходит выравнивание потенциала зонда и потенциала данной точки поля.

  1.  Приборы и принадлежности
  2.  Источник питания
  3.  Вольтметр
  4.  Сосуд с электродами

 

4. Описание установки

Измерительная схема представлена на рис. 4.1

2 – вольтметр, 3 – сосуд, a, b – электроды, между которыми создается разность потенциалов , с – зонд.

С помощью зонда измеряется разность потенциалов между электродом а и точкой, в которую помещен зонд с, . Электроды и зонд помещены в ванну с водой. На крышке ванны сделаны прорези, вдоль которых можно перемещать зонд. По длине каждой прорези нанесены деления с ценой 1 см. Расстояние между прорезями 3 см.

5. Требования по технике безопасности

Для электропитания лабораторной установки используется сетевое питание напряжением 220 В. Все токоведущие части установки, кроме соединений проводников с электродами, закрыты, что исключает их случайные касания.

При выполнении работ необходимо:

а)  внимательно ознакомиться с заданием и оборудованием;

б) визуально   проверить   целостность   изоляции   токоведущих проводов;

в) не оставлять без присмотра включенную лабораторную установку;

г) не загромождать рабочее место посторонними предметами и оборудованием, не относящимся к выполняемой работе;

д)  держать зонд за изолирующую рукоятку;

е) о   замеченных   неисправностях   немедленно  сообщить  преподавателю;

ж) по окончании работы отключить установку от сети, привести в порядок рабочее место.

  1.  Порядок выполнения работы
  2.  Зарисовать в удобном масштабе вид на ванну сверху. Нанести расположения электродов, прорезей и делений.
  3.  Проведя зонд от одного до другого края прорези в средней части ванны, определить область изменения потенциала при перемещении зонда. Выбрать из этого интервала 5 значений потенциала.
  4.  Проставить в тетради на рисунке (смотри п.1) координаты точек, соответствующих выбранным значениям .
  5.  Соединить линиями точки, соответствующие одинаковым значениям разности потенциалов . Вы получили эквипотенциальные поверхности поля, созданного заряженными пластинами a и b.
  6.  Построить силовые линии электрического поля, нормальные найденным эквипотенциальным поверхностям.

7. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

  1.  номер, название и цель работы;
    1.  основные определения из теоретической части;
      1.  схему лабораторной установки;
        1.  графическое изображение линий равного потенциала с указанием значений потенциала на каждой линии и силовых линий электростатического поля с указанием стрелками направления напряженности;
        2.  вывод по результатам работы.

8. Контрольные вопросы

  1.  Какое поле называется электростатическим?
  2.  Каков физический смысл напряженности электростатического поля?
  3.  Что такое потенциал электростатического поля?
  4.  Как устроен прибор для изучения электростатического поля?

Как графически изображаются электростатические поля?

Список литературы

  1.  Савельев И.В. Курс общей физик, в 5 кн. – М.: Наука, 1998, кн.2.

Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1998.

7


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

79228. Недопущение, ограничение или устранение конкуренции 36.27 KB
  Конкуренция это соперничество хозяйствующих субъектов при котором самостоятельными действиями каждого из них исключается или ограничивается возможность каждого из них в одностороннем порядке воздействовать на общие условия обращения товаров на соответствующем товарном рынке. Признаками ограничения конкуренции являются сокращение числа хозяйствующих субъектов не входящих в одну группу лиц на товарном рынке рост или снижение цены товара не связанные с соответствующими изменениями иных общих условий обращения товара на товарном рынке...
79229. Изготовление или сбыт поддельных денег или ценных бумаг 34.04 KB
  Изготовление или сбыт поддельных денег или ценных бумагст. Данная статья предусматривает уголовную ответственность за полную или частичную подделку фальшивомонетничество банковских билетов ЦБ РФ монет государственных ценных бумаг иных ценных бумаг в национальной или иностранной валюте. Объективная сторона преступления включает действия: а изготовление с целью сбыта поддельных денег или ценных бумаг; б сбыт поддельных денег или ценных бумаг.
79230. Контрабанда. Состав и виды 33.95 KB
  188 УК РФ заключается в незаконном перемещении через таможенную границу Российской Федерации товаров или иных предметов совершенном помимо или с сокрытием от таможенного контроля либо с обманным использованием документов или средств таможенной идентификации либо сопряженном с недекларированием или недостаточным неполным декларированием таких товаров предметов. Непосредственный основной объект преступления отношения регулирующие товарооборот перемещение через таможенную границу товаров и обеспечивающие поступление в бюджет таможенных...
79231. Невозвращение из-за границы средств в иностранной валюте 32.5 KB
  Невозвращение изза границы средств в иностранной валюте ст. 193 УК РФ устанавливает ответственность руководителей организаций за невозвращение изза границы валютных средств подлежащих обязательному перечислению на счета уполномоченного банка Российской Федерации. Непосредственный объект преступления отношения регулирующие внешнеэкономическую деятельность и расчеты совершаемые в иностранной валюте.
79232. Преднамеренное банкротство. Отличие от фиктивного банкротства 33.99 KB
  Непосредственный объект преступления включает отношения регулирующие порядок и процедуру банкротства и удовлетворения имущественных обязательств перед гражданами организациями государством. Объективная сторона преступления состоит в: а действиях по созданию условий неплатежеспособности; б действиях по увеличению неплатежеспособности; в бездействии с целью создания условий неплатежеспособности; г бездействии преследующем увеличение неплатежеспособности. Состав преступления материальный в этой связи наряду с деянием необходимо...
79233. Уклонение гражданина от уплаты налогов 33.74 KB
  Непосредственный объект преступления отношения регулирующие налогообложение физических лиц. Предметом преступления являются налоги и или сборы которые обязано уплатить физическое лицо в соответствии с законом. Объективная сторона преступления может выражаться в действии во внесении в декларацию заведомо искаженных сведений о доходах и расходах; в бездействии в непредставлении декларации о доходах когда она в обязательном порядке должна представляться в налоговые органы. Состав преступления материальный преступление считается...
79234. Убийство с отягчающими обстоятельствами 37.57 KB
  Такое убийство совершается либо в процессе осуществления потерпевшим своей служебной деятельности либо как акт мести за такую деятельность.
79235. Убийство в состоянии аффекта 33.09 KB
  Объективная сторона данного преступления образует лишение жизни другого человека совершенное в состоянии внезапно возникшего сильного душевного волнения аффекта вызванного насилием издевательством или тяжким оскорблением со стороны потерпевшего либо иными противоправными или аморальными действиями бездействием потерпевшего а равно длительной психотравмирующей ситуацией возникшей в связи с систематическим противоправным или аморальным поведением потерпевшего. Данное убийство является ответной реакцией виновного на противоправное...
79236. Экономическая система Дж. КЕйнса (1883-1946) и ее значение для развития мировой экономической мысли 318 KB
  Книга озаглавлена так для того чтобы мои аргументы и выводы противопоставить аргументам и выводам классической1 теории на которой я воспитывался и которая как и 100 лет назад господствует над практической и теоретической экономической мыслью правящих и академических кругов нашего поколения. Я приведу доказательства того что постулаты классической теории применимы не к общему а только к особому случаю так как экономическая ситуация которую она рассматривает является лишь предельным случаем возможных состояний равновесия. ГЛАВА 2...