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

46 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

32030. ОЗЕЛЕНЕННЯ ТА БЛАГОУСТРІЙ ШКОЛИ С. ТАНСЬК Чернівецького району 401.5 KB
  На дiлянцi зi складним рельєфом та складними гiрничогеологiчними умовами допускається розмiщення фiзкультурноспортивної зони на вiдокремленiй дiлянцi у вiдривi від основної території навчального закладу на вiдстанi що не перевищує 500 м. Це даэ змогу краще використовувати міжгрупові території. Грунт на території ділянки повинен бути чистим і сухим. На території ділянки виділяють зони: спортивну зону відпочинку навчальнодослідну й господарчу.
32031. Экологизация транспорта в создании устойчивой социально-экологической системы мегаполиса (на примере города Москвы) 2.96 MB
  Эквивалентные уровни шума от транспортных потоков превышают гигиенические нормативы, особенно это наблюдается в часы пик, в случаях заторов на дорогах. Непрерывный стремительный рост автомобильного парка, его значительный средний возраст, низкий технический уровень в сочетании с неудовлетворительным техническим состоянием автомобилей и недостаточной пропускной способностью улиц приводят к тому, что проблема негативного воздействия выбросов автотранспорта на окружающую среду и здоровье населения стала одной из наиболее острых экологических проблем городов.
32032. Телепортерский портрет «КОИН» 11.66 MB
  Очерк полностью будет основан на синхроне героя то есть без закадрового текста. Через ЗТМ появляется герой Денис Коин синхрон: Ср. Синхрон Артема Антоняна друга Дениса: Сидит на диване с кружкой чая в руке. Денис на кухне поджигает газ ставит чайник на плиту подходит к камере и говорит: Синхрон мамы дениса Виктории Владимировны: Женщина сидит в кафе на диване.
32033. Форми і методи розрахунків 173.5 KB
  Тема даної дипломної роботи: «Форми і методи розрахунків» є вкрай актуальною для дослідження. Формування й успішне функціонування банківської системи України, входження вітчизняних фінансово-кредитних інститутів у міжнародний бізнес значною мірою залежать від кваліфікації банківських працівників, їхніх знань і досвіду.
32034. Разработка и выполнение образов в стиле Древняя Греция 1.7 MB
  От природы греки имели прямые густые черные волосы. Это были длинные пряди завитые в спиральные локоны или волосы заплетенные в косы и уложенные в красивые низкие пучки. Часто волосы подбирались под ленту которая охватывала всю голову. При этом на лбу волосы укладывались в густую челку из мелких кольцеобразных или серповидных локонов.
32035. КОКЧЕ ЭЛЬВИНА ДЖАФЕРОВНА ПУТЕВЫЕ ЗАМЕТКИ И РАССКАЗЫ АНГЛИЙСКИХ ПИСАТЕЛЕЙ О РОССИИ НАЧАЛА ХХ ВЕКА (НА МАТЕРИАЛЕ ПРОИЗВЕДЕНИЙ Л. КЭРРОЛЛА И С. МОЭМА) 390.5 KB
  Основные положения и результаты исследования были опубликованы в виде статьи « Жанровое своеобразие путевых заметок Льюиса Кэрролла (на материале дневника путешествий в Россию 1867 г.)» в ежегодном научном журнале «Культура народов Причерноморья», ТНУ им. В. И. Вернадского. Содержание магистерской работы отражено в материалах предыдущих курсовых работ, результаты неоднократно заслушивались на студенческих конференциях.
32037. Разработка внешнего устройства, предназначенного для сопряжения интерфейсов «Ввода» и «Вывода» информации в составе комплексов СМ 1420 (ВУ для СИВ и ВИ в СК СМ 1420) 1.85 MB
  Отчисление на соцстрах используется на оплату больничных листов оплату путевок выплату пенсий. Лист № докум. Подпись Дата Лист 5 ТКМ 25. Лист № докум.