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

52846. Елліністичні держави в IV—II ст. до н. е. Елліністична культура 49.5 KB
  Мета: Розкрити суть еллінізму; дати коротку характеристику елліністичних держав; визначити основні причини розквіту культури і науки часів еллінізму розглянути їхні основні досягнення. Епоха еллінізму діадохи. Джерела: Фільм Культура еллінізму 35канала; Підручник: Шалагіна О. 2009; Структура уроку Організаційний момент Актуалізація опорних знань Вивчення нового матеріалу Суть еллінізму.
52847. Нові технології. Написання електронних листів 75 KB
  Look at the words on the screen and guess what part of speech they are and what theme they concern. Use, upgrade, zoom, erase, paste, plug, unzip, view, scroll, print, touch. You are right. They are all verbs and they deal with a computer, new technologies, as well as new means of communications So, today we are going to speak about new technologies and e-mails as the form of the new kind of writing.
52849. Запліднення. Ембріональний розвиток людини. Регуляція народжуваності 86.5 KB
  Регуляція народжуваності 9 клас Завдання уроку: навчальні: − активізувати основні проблеми теми; − дати поняття про онтогенез та його етапи; − засвоїти знання щодо процесу запліднення ембріогенезу сучасні методи контрацепції; розвивальні: − розвиток операції логічного мислення; − удосконалення уміння працювати...
52850. Емоції. Емоційні реакції та стани 1.79 MB
  Мета: освітня: розглянути поняття про емоції які особливості вищої н. людини з'ясувати значення емоцій у житті людини виявити різницю між поняттями €œемоційна реакція €œемоційний стан†і €œемоційні відносини; розвивальна: продовжити формування навичок роботи з книгою аналізу порівняння узагальнення самооцінки; виховна: продовжити формування уміння слухати і чути співрозмовника учити колективному співробітництву. Ушинський Сьогодні на уроці потрібно розглянути поняття про емоції як особливості вищої...
52851. Розвиток емоційного інтелекту школярів на уроках української літератури 52.5 KB
  Емоційний інтелект опинився у центрі уваги вчених в останні десять років. Проте як не парадоксально це звучить останнім часом було відкрито що в розвитку гармонійної особистості людини емоційна компетентність емоційний інтелект відіграє важливішу роль ніж академічна. Емоційний центр мозку безпосередньо повязаний із системою довготривалої памяті.
52852. eMule. Полное описание 231.5 KB
  Своей целью я поставил написать наиболее полное руководство по программе eMule при этом не вдаваясь в технические подробности с одной стороны и с другой стороны объясняя не только назначение отдельных кнопочек но и рассказывая про принципы работы как самого eMule так и функционирования сети в частности. Почему именно eMule а не чтото другое Здесь есть целый ряд причин. Самое главное: eMule это наиболее функциональный P2Pклиент к тому же его использует подавляющее большинство пользователей. Вот статистика собранная моим Мулом за 18...
52853. Збереження електроенергії у побуті 49 KB
  Мета: Поширити уявлення дітей про способи добування електроенергії. В домі дід мороз живе І продукти зберігає А щоб свіжими були Зіпсуватись не могли Їх у холоді тримає Холодильник Коментарі вчителя щодо збереження електроенергії. Своєчасно розморожувати щоб менше споживав електроенергії.
52854. Енергозбереження - працюємо разом 115.5 KB
  Мета: Навчати оцінювати запаси енергетичних ресурсів формувати переконаність у можливості раціонального використання природних ресурсів; навчати оцінювати побутові втрати енергії; підвести до висновку про можливість раціонального використання енергії; переконати учнів у необхідності пошуків засобів збереження енергії. Наші споживання в електроенергії змінюються в часі : доба тиждень рік. Доба Наші споживання в енергії змінюються на протязі доби частково від того в яких умовах ми живемо і частково від нашої роботи мал.1 З малюнок 1...