37968

Моделирование электростатического поля, знакомство с моделированием электрического поля методом электролитической ванны

Лабораторная работа

Физика

Вектор напряженности направлен в каждой точке силовой линии по касательной к ней. Силовые линии пересекают эквипотенциальные поверхности под прямым углом. Перемещая зонд таким образом чтобы показания вольтметра не изменялись определите положение эквипотенциальной линии. Отметьте положение эквипотенциальной линии на координатной сетке 10.

Русский

2015-01-16

87 KB

51 чел.

Лабораторная работа № 3.21*

Моделирование электростатического поля

Цель работы: знакомство с моделированием электрического поля методом электролитической ванны.

Приборы и принадлежности: генератор многофункциональный АНР-1002, вольтметр переменного тока, ванна с электродами и соединительные провода.

Краткие теоретические сведения

Основная задача электростатики - нахождение напряженности электростатического поля во всех точках пространства. Для этого можно воспользоваться формулой связи между потенциалом и напряженностью

(1)

В реальных задачах, особенно при конструировании различных электронных и ионных приборов, теоретический расчет полей практически невозможен. Экспериментальное же исследование распределения потенциала внутри таких приборов также затруднено из-за невозможности введения зонда или малости деталей приборов. В таких случаях используется метод электролитической ванны. 

В основе метода лежит математическая эквивалентность уравнений, описывающих распределение потенциала в электростатическом поле конденсатора и в поле стационарного тока в однородной слабо проводящей среде между такими же электродами.

Пусть в проводящей среде размещены два электрода, проводимость которых много больше проводимости среды. В этом случае можно считать, что поверхности электродов являются эквипотенциальными. Если поддерживать потенциалы электродов j1 и j2 постоянными, то в пространстве между электродами возникает стационарный электрический ток плотности . Условие стационарности тока: поток плотности тока через замкнутую поверхность равен нулю.

,   (2)

Физический смысл условия стационарности достаточно прост: в любой замкнутый объем сколько зарядов входит, столько же и выходит. Следовательно, не возникает объемных зарядов, а потенциалы всех точек остаются постоянными.

В практической реализации метода электролитической ванны изготавливается увеличенная модель электродов прибора, которую помещают в слабо проводящую среду (например, водопроводную воду). Для полей, обладающих осевой симметрией, используется метод сечений. При этом достаточно исследовать поле в любой плоскости симметрии, проходящей через ось модели. Если  на электроды подавать постоянное напряжение, то протекание тока будет сопровождаться электролизом и выделением составных частей электролита на электродах, что нарушает однородность электролита, приводит к поляризации электродов и искажению распределения потенциала между электродами. Поэтому на электроды подают переменное напряжение невысокой частоты и измеряют распределение потенциала в пространстве между электродами. При исследовании электростатических полей широко используется графический способ представления полей с помощью силовых линий и эквипотенциальных поверхностей. Вектор напряженности направлен в каждой точке силовой линии по касательной к ней. Поверхности равного потенциала  называются эквипотенциальными. Силовые линии пересекают эквипотенциальные поверхности под прямым углом.

                              Порядок выполнения работы

В лабораторной установке используется источник переменного напряжения. В этом случае удается предотвратить выделение составных частей электролита на электродах (вследствие электролиза), поляризации электродов и искажения поля между электродами.

Переменное электрическое поле в электролите не является потенциальным, в каждой точке напряжение изменяется со временем. Однако понятие «эквипотенциальной поверхности» как поверхности постоянно изменяющегося, но одинакового по амплитуде потенциала можно считать справедливым. Разные эквипотенциальные поверхности при этом характеризуются разным значением амплитуды напряжения.

1.  Соберите электрическую цепь согласно рис.1 (1-генератор многофункциональный АНР-1002; 2-вольтметр переменного тока; 3-зонд для определения потенциала; 4-электролитическая ванна; 5-электроды).

2. Убедитесь, что на генераторе АНР-1002 отжаты клавиши регулировки симметрии фронта 4 (SYMMETRY) и клавиша регулировки постоянной составляющей сигнала 5 (OFFSET). На блоке переключателей для управления режимом качания частоты 7 (SWEEP) зафиксируйте конечную частоту, нажав кнопку STOP  и отжав ON .

3. Подключите питание генератора клавишей включения и выключения питания 1 (POWER) и блока амперметра-вольтметра АВ1 клавишей СЕТЬ на передней панели блока.

4. На генераторе АНР-1002 с помощью переключателей выбора формы выходного сигнала 14 выберите синусоидальный сигнал . С помощью клавиш установки частотного диапазона 3 (клавиши  и  ) и регулятора частоты выходного сигнала 11 (FREQUENCY) установите частоту выходного сигнала генератора в интервале 200 ¸ 2000 Гц .

5. Зарисуйте в определенном масштабе координатную сетку и отметить на ней положение и форму электродов.

6. Включите вольтметр (кнопка «сеть»).

7. С помощью вольтметра (перемещая зонд) определите потенциал около первого и второго электродов. Разделите разность потенциалов между этими точками на шесть, тем самым определив разность потенциалов между эквипотенциальными поверхностями, которые будут определяться в лабораторной работе.

8. Поместите зонд в ванну таким образом, чтобы показания вольтметра соответствовали первому (наименьшему) значению из выбранных потенциалов.

9. Перемещая зонд таким образом, чтобы показания вольтметра не изменялись, определите положение эквипотенциальной линии. Нанесите её положение на координатную сетку. (Отметьте положение эквипотенциальной линии на координатной сетке)

10. Переместите зонд на расстояние, при котором показания вольтметра изменились на величину, равную разности потенциалов между эквипотенциальными поверхностями, определенную в п. 7.

11. Повторите пункт 9, начертив вторую эквипотенциальную линию. Перемещая последовательно зонд, получите 5 эквипотенциальных поверхностей.

12. По полученной картине эквипотенциальных линий проведите 6 – 7 силовых линий (силовые линии и эквипотенциальные перпендикулярны друг другу).

13. Оцените величину напряженности Е электрического поля на пяти разных участках вдоль одной силовой линии. Рассчитайте по формуле среднее значение напряженности электрического поля:

,  (3)

где  - разность потенциалов между соседними эквипотенциальными линиями,    l – расстояние между эквипотенциалями вдоль силовой линии в месте определения напряженности. Записать полученные значения на координатной сетке.

14. Положите в ванну проводящее тело (по указанию преподавателя).

15. Начертите эквипотенциальные поверхности и силовые линии, повторив п.п.7-11. Убедитесь, что поле вблизи проводящего тела является неоднородным.

Контрольные вопросы

1. Напряженность и потенциал электрического поля.

2. Связь между напряженностью и потенциалом.

3. Силовые линии,  эквипотенциальные поверхности и их свойства.

4. Объяснить метод моделирования электростатического поля с помощью электролитической ванны.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38557. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И АППАРАТУРНЫХ СХЕМ ПРОИЗВОДСТВА И ОТДЕЛЬНЫХ СТАДИЙ ПРОЦЕССА 2.81 MB
  Точки контроля Норма частиц в 1 литре воздуха Из заборной шахты 1000030000 После висциносного фильтра 750025000 Перед головным фильтром 20006000 После головного фильтра 4001200 После индивидуального фильтра Не более 10 Стерильность воздушность систем проверяют ежедневно с помощью чашек Петри или путём прохождения воздуха из продувок коллектора через стерильный фильтрик заполненный углём или пропускают через стерильный мембранный фильтр с последующим пересевом на мясопептонные среды. Готовят 2 среды контрольную и опытную в которой один...
38558. ВПЛИВ ПОСТІЙНОГО МАГНІТНОГО ПОЛЯ НА СТРУКТУРУ ТА ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПОЛІМЕРНИХ КОМПОЗИТІВ 12.58 MB
  Вплив постійного магнітного поля на структуру і електричні властивості полімерних композитів. Досліджено сплив постійного магнітного поля ПМП на електричні властивості композиту на основі утвореної поліуретанової матриці з наповнювачем феромагнітним оксидом заліза Fe2O3 показано що під впливом постійного магнітного поля композиція набуває упорядкованої структури з анізотропними властивостями а саме зміна діелектричної проникності яка залежать від напрямку ПМП. Влияние постоянного магнитного поля на структуру и электрические свойства...
38559. Модифікація гена kanMX4, що забезпечує резистентність до антибіотика генетицину 1.36 MB
  Це у значній мірі відбувається тому що клітинний цикл та фізіологічні процеси клітин дріжджів дуже подібні до відповідних процесів людських клітин і тому основні клітинні механізми реплікація ДНК рекомбінація поділ клітини і метаболізм мають багато спільних рис. пар основ плазмідної ДНК яку в деяких штамах складають кіллерні плазміди; мітохондріальний геном 75 тис. Отримані гелі можуть бути використані для проведення Саузернблот аналізу що супроводжується гібридизацією або для ізоляції хромосомної ДНК в чистому вигляді. Досить...
38560. Связь социально-психологической адаптации студентов с тактиками самопрезентации 492.5 KB
  ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СВЯЗИ СОЦИАЛЬНОПСИХОЛОГИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ И ТАКТИК САМОПРЕЗЕНТАЦИИ СТУДЕНТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ СОЦИАЛЬНОПСИХОЛОГИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ СТУДЕНТОВ АНАЛИЗ ДАННЫХ ЭМПИРИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СВЯЗИ СОЦИАЛЬНОПСИХОЛОГИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ И ТАКТИК САМОПРЕЗЕНТАЦИИ СТУДЕНТОВ [1.5] ПРОГРАММА ЭМПИРИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СВЯЗИ СОЦИАЛЬНОПСИХОЛОГИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ И ТАКТИК САМОПРЕЗЕНТАЦИИ СТУДЕНТОВ [1.
38561. Описании языковой картины мира (ЯКМ) субъекта делового текста (завещателя) на материале памятника деловой письменности Северной Руси XVIII веке 239.5 KB
  Теоретические аспекты субъекта текста. Проблематика выпускной квалификационной работы состоит в описании языковой картины мира ЯКМ субъекта делового текста завещателя на материале памятника деловой письменности Северной Руси XVIII в. Исследования такого типа актуальны потому что они позволяют через лексическое значение слов выявить влияние культурного контекста на лексику особенности социальноэкономической и духовной культуры поморов XVIIXVIII вв. разработать методику лингвокультурологической обработки исследуемого материала и...
38562. ЗНАКИ БОЖЕСТВЕННОГО В ТВОРЧЕСТВЕ ОЛИВЬЕ МЕССИАНА НА ПРИМЕРЕ СИМФОНИИ «ТУРАНГАЛИЛА» 5.39 MB
  Проекция божественного в анализе симфонии Турангалила Оливье Мессиана6 Интродукция Песнь любви I вторая часть Турангалила I третья часть Песнь любви II четвёртая часть Радость крови звёзд пятая часть Сад сна любви шестая часть Турангалила II седьмая часть Развитие любви восьмая часть Турангалила III девятая часть Финал 4. Заложенное ещё в консерваторских классах Поля Дюка увлечение индийской перуанской японской культурой нашло своё отражение в цикле из 12 песен Любви и...
38564. Осуществление кадастровых отношений 4.8 MB
  Законы и иные нормативные правовые акты субъектов РФ не могут противоречить федеральным законам. В случае противоречия между федеральным законом и иным актом, изданным в РФ, действует федеральный закон.
38565. Усовершенствование технологии производства поковок флокеночувствительной стали марки 40ХН2МА, забракованных при УЗК 1.16 MB
  Завод специализируется на производстве металлопродукции нержавеющих инструментальных легированных конструкционных быстрорежущих штамповых жаропрочных и прецизионных марок стали и сплавов поставка которых осуществляется на внутренний и внешний рынок. Завод производит около 1000 марок стали и сплавов выплавленных в мартеновских открытых дуговых и индукционных электропечах рафинированных электрошлаковым ЭШП и вакуумнодуговым ВДП переплавами в агрегате ковшпечь АКП. Конструкционные стали должны обладать высокой конструктивной...