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

40 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

34438. Революционные события 1917 г.: свержение самодержавия, кризисы Временного правительства, приход к власти большевиков. Первые преобразования Советской власти 37 KB
  : свержение самодержавия кризисы Временного правительства приход к власти большевиков. Первые преобразования Советской власти. В ходе революции были созданы 2 органа власти: Петроградский Совет во главе с меньшевиком Чхеидзе Временное правительство во главе с князем Львовым состоявшее из буржуазных деятелей Государственной Думы. Было ликвидировано самодержавие в стране сложилось двоевластие.
34439. Гражданская война в России: причины, участники, этапы, итоги 32.5 KB
  Восстал Чехословацкий корпус Большевики начинают создание Красной армии Лето 1918 – осень 1920 гг. – фронтовой этап военное противостояние Красной армии и белого движения. Большевики вводят всеобщую воинскую повинность для рабочих и беднейших крестьян в Красной армии вводилась строгая дисциплина привлекались старые военспецы. Красная армия разбила армии Юденича Колчака и Деникина Апрельоктябрь 1920 г.
34440. Новая экономическая политика: мероприятия и итоги 35 KB
  Оценки сущности и значения нэпа. началось восстание моряков в Кронштадте Основным содержанием нэпа стало широкое использование рыночных отношений. Итоги нэпа: Быстро восстанавливался довоенный уровень промышленности и сельского хозяйства был ликвидирован транспортный кризис Развивалась частная инициатива появился слой предпринимателей нэпманов Стабилизировалась финансовая система Полки магазинов заполнились товарами Выросла безработица уровень жизни большинства народа оставался низким Противоречивость нэпа: в экономике:...
34441. Образование СССР: причины и принципы создания союза 34 KB
  После гражданской войны на месте бывшей Российской империи появились новые государства: Финляндия Польша Латвия Стали независимыми государствами с буржуазными правительствами Литва Эстония Россия Украина Стали Советскими республиками Белоруссия Закавказская Федерация Бухарская республика Хорезмская республика Дальневосточная республика Предпосылки образования СССР: Экономическая взаимозависимость республик которые раньше существовали в рамках одного государства Необходимость противостоять общим врагам Все...
34442. Строительство социализма в СССР в 1920 – 1930-е гг.: становление тоталитарного режима, проведение индустриализации и коллективизации, культурная революция 42.5 KB
  В середине 20х годов перед советским государством встала задача модернизации экономики и превращения СССР из аграрноиндустриальной страны в индустриальную. СССР мог производить любой вид промышленной продукции Индустриализация тяжело отразилась на положении крестьян. С одной стороны был сделан гигантский скачок в развитии страны СССР вышел на 2 место в мире по производству промышленной продукции.
34443. Великая Отечественная война 1941 – 1945 гг.: основные этапы, события и итоги. Источники и значение победы 43 KB
  Этапы войны: 22 июня 1941 г. Причины неудач Красной Армии в первые месяцы войны: Неожиданность нападения Германии войска не были приведены в полную боевую готовность; Не было завершено перевооружение Красной Армии новую технику не успели освоить. В начале войны многие части не имели связи со своими штабами что затрудняло получение сведений о враге и приводило к окружению и плену. Центральным событием начального этапа войны стала битва за Москву 30 сентября – 56 декабря 1941 г.
34444. Развитие СССР в 1953 – 1964 гг. Десятилетие реформаторского порыва 33.5 KB
  На ХХ съезде партии Хрущев осудил культ личности Сталина. Не допускалась критика партии и социализма. была принята новая программа партии которая ставила задачу построения коммунизма за 20 лет. Первым секретарем партии стал Л.
34445. СССР в середине 1960-середине 1980-х гг.: основные тенденции и противоречия социально-экономического развития 34.5 KB
  СССР в середине 1960середине 1980х гг. В новой Конституции СССР принятой в 1977 г. Под руководством председателя Совета министров СССР А. Результатом стало все большее отставание СССР от стран Запада.
34446. Перестройка в СССР: попытки реформирования экономики и обновления политической системы 39.5 KB
  Политические и социальноэкономические преобразования в СССР в период правления Горбачева получили название перестройка. Сократились доходы СССР от внешней торговли в связи с падением мировых цен на нефть и газ. была отменена 6ая статья конституции СССР о руководящей роли КПСС Был введен пост Президента СССР им стал М.