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

30804. Способы укладки Б-смеси. Требования при укладке Б-смеси в конструкции с уплотнением 16.62 KB
  Способы укладки Бсмеси. Требования при укладке Бсмеси в конструкции с уплотнением. Основные требования к укладке бетонной смеси: Ограничение высоты падения бетонной смеси плиты до 1м колонны 5 м остальное 2м Послойная укладка с уплотнением каждого слоя; Для обеспечен. Задача процесса уплотнения бетонной смеси состоит в предельной упаковке различных по форме и величине частиц составляющих многокомпонентный конгломерат бетонной смеси.
30805. Уплотнение бетонной смеси вибрированием. Типы вибраторов. Признаки достаточности 16.61 KB
  По способу воздействия на уплотняемую бетонную смесь различают вибраторы глубинные поверхностные и наружные прикрепляемые тисками к опалубке Глубинные вибраторы выполняют с электро или пневмодвигателем встроенным в наконечник вибробулава с электродвигателем вынесенным к ручке и с вынесенным к ручке двигателем и гибким валом. При бетонировании мало и средне армированных конструкций применяют глубинные вибраторы с встроенным в корпус вибровозбудителем вибробулавы диаметром 76 114 и 133 мм с частотой от 5700 до 11000 мин....
30806. Устройство рабочих швов 13.91 KB
  В изгибаемых конструкциях рабочие швы располагают в местах с наименьшим влиянием на прочность конструкции. В колоннах швы устраивают на уровне верха фундамента у низа прогонов балок или подкрановых консолей; в колоннах безбалочных перекрытий у низа или верха вута в рамах между стойкой и ригелем. При подготовке к очередному бетонированию швы обрабатывают через 8.
30807. Уход за бетоном в процессе твердения. Распалубливание конструкций 16.32 KB
  Открытую поверхность бетона прежде всего предохраняют от вредного воздействия прямых солнечных лучей ветра и дождя. Если поверхность бетона предварительно была укрыта влагоемкими материалами брезентом матами песком и др. В жарком сухом климате если не обеспечить благоприятных температурновлажностных условий твердения прочность бетона снижается на 15. В начальный период ухода за бетоном не следует обильной поливкой сразу после укладки нарушать структуру твердеющего бетона.
30808. Бетонирование массивов и фундаментов 14.03 KB
  В фундаменты и массивы в зависимости от объема заглубления высоты и других особенностей бетонную смесь укладывают по следующим технологическим схемам: с разгрузкой смеси из транспортного прибора непосредственно в опалубку с передвижного моста или эстакады с помощью вибропитателей и виброжелобов бетоноукладчиков бетононасосов бадьями с помощью кранов. В ступенчатые фундаменты с общей высотой до 3 м и площадью нижней ступени до 6 м2 смесь подают через верхний край опалубки предусматривая меры против смещения анкерных болтов и закладных...
30809. Бетонирование полов 15.33 KB
  Для осуществления процесса укладки плиты разбивают на карты. Если толщина плит меньше 05 м то разбивку на карты и укладку бетона ведут в таком порядке: Площадь делят на картыполосы по 34м Устанавливают по краям полос маячные доски. При большей толщине плиты разбивают на параллельные карты шириной 5. Карты бетонируют подряд т.
30810. Сетевые и локальные СУБД 12.74 KB
  Существенной проблемой СУБД такого типа является синхронизация копий данных именно поэтому для решения задач требующих совместной работы нескольких пользователей локальные СУБД фактически не используются. К сетевым относятся файлсерверные клиентсерверные и распределенные СУБД. В файлсерверных СУБД все данные обычно размещаются в одном или нескольких каталогах достаточно мощной машины специально выделенной для этих целей и постоянно подключенной к сети.
30811. Процес нормализации баз данных 16.04 KB
  Например задано следующее отношение: ПРЕДМЕТ Код предмета. Переведем атрибут с повторяющимися значениями в новую сущность назначим ей первичный ключ Код преподавателя и свяжем с исходной сущностью ссылкой на ее первичный ключ Код предмета. В результате получим две сущности причем во вторую сущность добавятся характеризующие ее атрибуты: ПРЕДМЕТ Код предмета. Название Цикл Объем часов; ПРЕПОДАВАТЕЛЬ Код преподавателя ФИО Должность Оклад Адрес Код предмета.
30812. ПОТОКИ И ПРОЦЕССЫ 13.25 KB
  Процесс обеспечивает программу всем что ей нужно для работы включая один поток. Этот стандартный поток основной поток используется для выполнения кода программы. Основной поток типичного процесса начинает работу с точки входа и продолжает выполняться в соответствии со всеми циклами условными операторами и вызовами функций. Основной поток завершается вместе с завершением процесса.