42495

Исследование электростатических полей с помощью электролитической ванны

Лабораторная работа

Физика

При конструировании электронных ламп конденсаторов электронных линз и других приборов часто требуется знать распределение электрического поля в пространстве заключённом между электродами сложной формы. Аналитический расчёт поля удаётся только для самых простых конфигураций электродов и в общем случае невыполним. Поэтому сложные электростатические поля исследуются экспериментально. Точки поля имеющие одинаковый потенциал образуют поверхности равного потенциала эквипотенциальные поверхности.

Русский

2013-10-29

61.5 KB

41 чел.

Лабораторная работа № 7

Исследование электростатических полей с

помощью электролитической ванны

Цель работы: представить графически картины электростатических полей с помощью эквипотенциальных поверхностей и линий напряжённости для двух параллельных пластин и двух пластин и металлического цилиндра между ними, для двух коаксиальных цилиндров.

Оборудование: электролитическая ванна, трансформатор 220/12 В, вольтметр, реостат, нуль-индикатор (вольтметр), электроды разной конфигурации, зонды.

7.1. Краткие теоретические сведения

Электростатическое поле в каждой точке характеризуется вектором напряжённости  и  потенциалом. При конструировании электронных ламп, конденсаторов, электронных линз и других приборов часто требуется знать распределение электрического поля в пространстве, заключённом между электродами сложной формы. Аналитический расчёт поля удаётся только для самых простых конфигураций электродов и в общем случае невыполним. Поэтому сложные электростатические поля исследуются экспериментально.

Точки поля, имеющие одинаковый потенциал, образуют поверхности равного потенциала (эквипотенциальные поверхности). Система эквипотенциальных поверхностей исчерпывающим образом описывает электростатическое поле.

Для исследований используют модель объекта, расположенную в электролитической ванне. Измерения в электролитической ванне производят с помощью электродов, форма которых воспроизводит объект в некотором масштабе, чаще увеличенном. Электроды располагают друг относительно друга так же, как они расположены в моделируемом приборе. На них подают потенциалы, равные действительным или изменённые в заданном отношении. При этом между электродами образуется электрическое поле, отличающееся от исследуемого по величине напряжённости, но совпадающее с ним по конфигурации с точностью до масштаба.

Заполним теперь пространство между электродами слабо проводящей жидкостью. Замена непроводящей среды на проводящую может, вообще говоря, изменить распределение электрического поля. Выясним условия, необходимые для того, чтобы такого изменения не произошло.

Распределение электрического поля в пространстве описывается дифференциальными уравнениями в частных производных (уравнения Максвелла), решения которых зависят как от формы уравнений, так и от граничных условий на стенках ванны и поверхности жидкости.

Граничные условия на поверхности жидкости и воздуха определяются тем, что электрический ток не может идти перпендикулярно к этой поверхности (из проводящей жидкости в непроводящий воздух). Так как плотность тока пропорциональна напряжённости  электрического поля, то в жидкости установится такое распределение потенциала, при котором вектор  не имеет составляющей, перпендикулярной к поверхности. В электролитической ванне, следовательно, можно без искажений моделировать только такие поля, которые не имеют составляющих, перпендикулярных к той плоскости, где будет проходить поверхность жидкости. Это же требование, в принципе, должно выполняться на дне и стенках ванны. Последние обычно находятся достаточно далеко от исследуемой модели объекта, так что их влияние можно не учитывать.

При определённых условиях распределение поля в электролитической ванне с достаточной точностью воспроизводит распределение поля в непроводящей среде (в вакууме или воздухе) при том же расположении электродов. Исследование поля в проводящей среде существенно проще, чем в непроводящей. Обычно в электролитической ванне производится измерение не вектора напряжённости поля, а электрических потенциалов. Для измерений в жидкость вводят зонды – тонкие металлические проводники, соединённые с измерительной аппаратурой.

Введение в жидкость металлических проводников − зондов, вообще говоря, изменяет распределение поля в жидкости, так как вдоль зонда принудительно устанавливается одинаковый электрический потенциал. Измерительные зонды поэтому не вызывают искажений лишь в том случае, если они располагаются вдоль линий, которые и до внесения зонда обладали одинаковым потенциалом. Особенно удобно исследовать с помощью зондов плоские поля. Зонд, расположенный параллельно этой оси, в этом случае заведомо не искажает распределения электрического поля.

7.2. Описание измерительной установки и порядок выполнения работы

Изучение электрического поля путём экспериментально найденного расположения эквипотенциальных поверхностей этого поля может быть проведено на установке, электрическая схема которой показана на рис. 7.1.

Эта установка состоит из сосуда, наполненного водой, в которую помещается система электродов. Сосуд имеет установочные винты, которыми устанавливают одинаковую высоту слоя воды. Пластины, к которым подводится переменная разность потенциалов, являются электродами. Переменная разность потенциалов применяется во избежание возникновения электролиза в проводящей среде.

В цепь электродов введено ограничивающее сопротивление на случай возможного короткого замыкания электродов между собой.

При исследовании эквипотенциальных линий поля, лежащих в горизонтальной плоскости, для двух параллельных в данный момент разноимённо заряженных плоских электродов поступают так. Намечают вдоль оси ОХ, перпендикулярной к поверхности электродов (рис. 7.1), точки, разнящиеся по потенциалу на некоторое одно и тоже значение (1 В), для чего вольтметром измеряют разность потенциалов между двумя соседними точками, в которые ставят вертикальные щупы-зонды, соединённые с клеммами вольтметра, т.е. на оси ОХ отмечают точки А, B, C, …, начиная отсчёт от электрода. Затем вводят в воду один из зондов в намеченную точку А на оси ОХ, а другой зонд передвигают в направлении оси ОY, перпендикулярно к оси ОХ, и находят вторым зондом точки, эквипотенциальные точке А. Расположение стрелки нуль-индикатора (вольтметра) против нуля свидетельствует о том, что разность потенциалов между точками, в которых расположены зонды, равна нулю.

Так отыскивают для точки А (через каждые 2 − 3 см) эквипотенциальные точки А1, А2, А3, … . Координаты этих точек заносят в таблицу.

Совокупность точек А1, А2, А3, … даёт возможность построить на миллиметровке эквипотенциальную линию, проходящую через точку А. Таким же образом находят эквипотенциальные линии, проходящие через точки B, C, D, …, которые наносят на миллиметровку.

Задание 1. По пространственным эквипотенциальным линиям однородного поля произвести расчёт напряжённости и плотности заряда на пластинах.

Задание 2. Исследовать поле между пластинами при внесении в него незаряженного металлического кольца.

Задание 3. Исследовать поле, созданное двумя коаксиальными цилиндрами. Произвести расчёт напряжённости ряда точек этого поля.

Контрольные вопросы и задания

  1.  Что называется электрическим полем?
  2.  Почему электростатическое поле для исследования можно моделировать электрическим?
  3.  Что называется эквипотенциальной поверхностью?
  4.  Что называется напряжённостью электрического поля?
  5.  Объяснить картины исследованных полей.

[2, § 8 − 20, 27; 3, § 20, 21; 4; 6; 10]

48


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

35118. ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ КОТЛОВ-УТИЛИЗАТОРОВ 1.25 MB
  Котёл Г420 предназначен для охлаждения технологических газов с целью конденсации паров серы и получения насыщенного пара в процессе обезвреживания сероводородных газов. Котлыутилизаторы – горизонтальные газотрубные с естественной циркуляцией состоят из входной и выходной газовых камер и газотрубного барабана. По ходу газов испарительная поверхность разделена на две отдельные равные ступени. Технологические газы проходят параллельно в каждой ступени входную газовую камеру испарительный пучок и выходную газовую камеру.
35119. Ректификационная колонна непрерывного действия 577.5 KB
  Как правило ректификационные колонны действуют по принципу противотока в целом по всему аппарату в то время как на каждом отдельном участке формирования поверхности контакта фаз схемы взаимодействия фаз могут быть самыми разнообразными. Для обеспечения неравновесных состояний пара и жидкости в нижнюю часть колонны куб подводится теплота а в верхней части колонны теплота отбирается дефлегматор. Жидкая фаза стекает с питающей тарелки вниз и поступает в куб колонны где происходит интенсивное испарение. Образующийся пар подается вниз...
35120. Проектирование сусловарочного апарата для пивоваренного производства 221 KB
  3 Приготовление пивного сусла 1.4 Охлаждение сусла 1. 1 Технологическая схема производства пива Производство пива слагается из следующих этапов:1приём и хранение солода; 2 очистка и дробление солода; 3 приготовление пивного сусла; 4 охлаждение сусла; 5 приготовление дрожжей чистой культуры; 6 главное брожение; 7 дображивание; 8 осветление пива; 9 розлив пива в бутылки и в бочки.3 Приготовление пивного сусла Дроблённый солод смешивается с тёплой водой около 600 С в заторном котле 13.
35121. ШНЕКОВЫЙ ПРЕСС ВПО 20А 1.82 MB
  В качестве исходных данных использовалась схема пресса с нанесенными габаритными размерами и обозначениями. Для кинематического расчета привода использовались данные о мощности двигателя.
35122. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРИБЫЛИ ПРЕДПРИЯТИЯ И ЕЕ АНАЛИЗ НА БАЗЕ 1С: БУХГАЛТЕРИЯ 1.52 MB
  Сводка данных, полученная в результате проведения факторного анализа прибыли, позволяет аналитику выявить степень зависимости прибыли по отдельным факторам, чтобы в дальнейшем учитывать эту информацию при планировании прибыли.
35123. Проектирование котла-утилизатора, предназначенного для охлаждения конвертированных газов 364.5 KB
  Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов-важнейшая задача, значимость которой все возрастает. Значительная экономия топливно-энергетических ресурсов может быть достигнута при более широком вовлечении в топливно-энергетический баланс страны вторичных энергоресурсов
35124. Розрахунок системи теплопостачання району міста 412.51 KB
  Вибір джерела теплопостачання теплоносія і типу системи теплопостачання. Визначення витрати теплоносія. Тривалість опалювального періоду nв: год Річні витрати тепла на вентиляцію: ГДж рік Річні витрати тепла споживачами: ГДж рік З Вибір джерела теплопостачання теплоносія і типу системи теплопостачання Вибір джерела теплопостачання теплоносія і типу системи теплопостачання залежить головним чином від сумарного теплового навантаження і технологічних споживачів і визначається виходячи з...
35125. Финансовый контроль 79.5 KB
  Понятие и виды финансового контроля. Контрольная функция финансов проявляется в финансовом контроле важнейшем в системе государственного контроля. Специфика финансового контроля состоит в том что финансы одновременно являются объектом и субъектом контроля. В более узком значении контрольная функция состоит в предупреждении и устранении выявленных в результате контроля негативных явлений и фактов дестабилизирующих развитие экономики и финансов наносящих вред интересам государства трудовых коллективов и большинства населения.
35126. Развитие налоговой политики в Республике Беларусь за 2005 год 63.5 KB
  В целях реализации Закона Республики Беларусь €œО бюджете Республики Беларусь на 2005 год€: разработаны и приняты инструктивные документы о порядке исчисления в 2005 году едиными платежами установленных данным законом налогов и сборов взимаемых от фонда заработной платы и из выручки от реализации товаров работ услуг а также о порядке уплаты в 2005 году местных целевых сборов организациями имеющими филиалы представительства и иные обособленные подразделения; определены сроки перечисления в 2005 году налоговыми агентами в доход местных...