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

57 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

14568. Операторы управления программой в Java 194.5 KB
  Лабораторная работа Java3 Тема: Операторы управления программой в Java. Цель изучить основные операторы Javaпрограмм. Операторы Как вы знаете любой алгоритм предназначенный для выполнения на компьютере можно разработать используя только линейные вычисления р
14569. Введение в OpenGL. Рисование простейших геометрических объектов. Работа с OpenGL при помощи GLUT 78.5 KB
  Лабораторная Работа № 1 Введение в OpenGL. Рисование простейших геометрических объектов. Работа с OpenGL при помощи GLUT. 1. Что такое GLUT OpenGL является мультиплатформенной библиотекой т.е. программы написанные с помощью OpenGL можно легко переносить на различные операц...
14570. Примитивы OpenGl 90 KB
  Лабораторная работа №2 Примитивы OpenGl Точки линии треугольники четырехугольники многоугольники простые объекты из которых состоят любые сложные фигуры. В предыдущей главе мы рисовали сферу конус и тор. OpenGL непосредственно не поддерживает функций для с...
14571. Используя принципы ООП реализовать программу для вычисления площади фигур 16.74 KB
  Отчет по лабораторной работе №2 по дисциплине: Объектноориентированное программирование Постановка задачи Используя принципы ООП реализовать программу для вычисления площади следующих фигур: Эллипс Прямоугольник Треугольник. В программе необх
14572. Ввод и взаимодействие с пользователем и анимация Взаимодействие с пользователем в OpenGL 50.5 KB
  Лабораторная работа №3 Ввод и взаимодействие с пользователем и анимация Взаимодействие с пользователем в OpenGL Функции библиотеки GLUT реализуют так называемый событийноуправляемый механизм. Это означает что есть некоторый внутренний цикл который запускается
14573. Модель разноцветного куба. Способы получения плоских проекций трехмерных объектов. Задание положения и ориентации камеры 81.5 KB
  Лабораторная работа №4 Модель разноцветного куба. Способы получения плоских проекций трехмерных объектов. Задание положения и ориентации камеры. 1.Рисование трехмерного куба. Куб следует рассматривать как шесть многоугольников которые определяют его грани. Мас
14574. Работа с изображением. Наложение текстуры 67 KB
  Лабораторная работа №5 Работа с изображением. Наложение текстуры. 1.Работа с изображением Существует множество графических форматов bmp pcx gif jpeg и прочие. OpenGL напрямую не поддерживает не один из них. В OpenGL нет функций чтения/записи графических файлов. Но подде
14575. Использование источников света в OpenGL и свойств материала 70 KB
  Лабораторная работа №6 Использование источников света в OpenGL и свойств материала. 1.Описание источников света в OpenGL. В системе OpenGl поддерживаются источники света четырех типов: фонового освещения ambient lighting точечные источники point sources прожекторы spotlights удален
14576. Кривые и поверхности в OpenGL 75 KB
  Лабораторная работа № 7 Кривые и поверхности в OpenGL Кривые Безье Кривая Безье задается векторной функцией одной переменной Cu = [ Xu Yu Zu] Где u изменяется в некоторой области например [0.0 1.0]. Фрагмент поверхности Безье задается векторной фу