Методические указания к лабораторным работам "Градуирование электростатического вольтметра с помощью электрометра Томсона", "Изучение топографии электростатического поля", "Законы разветвлённых цепей постоянного тока", страница 5

Методика проведения эксперимента и описание установки

Экспериментальное изучение электростатического поля в вакууме связано с рядом практических трудностей. Поэтому используется аналогия, существующая между электростатическим полем, созданным заряженными телами данной формы в вакууме (воздухе), и электрическим полем этих заряженных тел, погруженных в однородную среду с небольшой проводимостью. При этом между электродами возникает электрический ток. Однако, если ток будет мал, а потенциалы электродов будут поддерживаться постоянными от источника электродвижущей силы, то электрическое поле, распределенное между электродами при наличии тока будет практически совпадать с аналогичным электростатическим полем в вакууме. Такой способ называется моделированием.

Если имеется электрическое поле и надо определить его характеристики (распределение потенциала и напряженности), то изготовляют металлические модели электродов, создающих поле, и помещают в слабо проводящую среду. Модели могут и не совпадать по размерам с оригиналами, но должны быть геометрически подобны им и подобным образом располагаться. Например, при использовании моделей электродов 1, приведенных на рис. 4, в проводящей среде возникает такое же распределение потенциалов, как в электрическом поле в вакууме, созданном двумя длинными плоскостями, перпендикулярными плоскости проводящей среды.

В качестве проводящей среды в работе используется стекло 2 с нанесенной пленкой, имеющей однородную проводимость по всем направлениям. Проводящий слой располагается на диэлектрической панели 3. На стекло с проводящим слоем методом напыления нанесены фигурные электроды так, что обеспечивается хороший контакт между каждым электродом 1 и проводящим стеклом.

Для исследования поля применяется установка, блок - схема которой представлена на рис. 5. Электрическое поле между электродами В и С создается и поддерживается с помощью регулируемого стабилизированного источника напряжения, который имеется на каждом лабораторном стенде. Для изучения распределения потенциала поля в различные точки среды помещают  небольшой металлический стержень – зонд N, который с помощью проводника соединён с клеммой цифрового вольтметра V, расположенного на лабораторном стенде. Вторая клемма вольтметра подсоединена к одной из клемм источника постоянного тока.

Перемещая наконечник зонда N по проводящему стеклу, находят точки поля с заданным потенциалом φ, соответствующие одной эквипотенциалиj = const. Для того, чтобы было удобно фиксировать положения точек под стеклом находится лист бумаги с координатной сеткой.

B7-38

 Найдя точку поля с потенциалом φ, соответствующую искомому потенциалу, определяют ее координаты и переносят на рабочий лист. На рабочий лист заранее наносят координатную сетку подобную сетке под проводящим стеклом.

Для выполнения работы необходимо принести с собой лист координатной (миллиметровой) бумаги размером 30 ´ 30 см.

Порядок выполнения работы и обработка экспериментальных результатов

1. Собрать экспериментальную установку согласно блок-схеме рис. 5. Клеммы источника постоянного напряжения и вольтметр расположены на лабораторном стенде. Для подсоединения источника постоянного напряжения к электродам токопроводящего стекла на боковых стенках корпуса стекла имеются специальные клеммы.

2. Нанести на рабочий лист координатную сетку с заданным масштабом.

3. Включить тумблер «СЕТЬ» на лабораторном стенде. При этом на стенде должна загореться красная лампочка. Ручками регулировки напряжения «ГРУБО» и «ТОЧНО», расположенными на лабораторном стенде, подать 10 ± 0,5 В на электроды. Подаваемое напряжение контролируется вольтметром. Для этого зонд N соединить с положительной клеммой источника напряжения

4. Для заданных преподавателем значений φ (задаётся не менее пяти значений потенциала), снять координаты эквипотенциалей исследуемого поля, отметив на координатной бумаге точки поля, соответствующие заданным эквипотенциалям. Для каждой эквипотенциали необходимо снять7 ÷ 11 точек. Соединить точки равного потенциала и построить эквипотенциальные линии. На каждой эквипотенциали отметить соответствующее ей значение потенциала.

5. Нарисовать на координатной бумаге контуры электродов.

6. Построить приближенную картину силовых линий поля с учетом того, что силовые линии перпендикулярны эквипотенциалям и контурам электродов. Построить не менее пяти силовых линий.

7. Выполнить расчёт средней напряженности электрического поля вдоль одной из силовых линий, между точками заданными преподавателем, по формуле:

Е = Δj/Δl,

где Δl – расстояние между заданными точками, которое необходимо измерить линейкой.

Контрольные вопросы

1.  Что называется электростатическим полем? Укажите основные характеристики электростатического поля.

2.  Что называется напряженностью электрического поля?

3.  Что называется потенциалом электрического поля?

4.  Как связаны между собой напряженность поля и потенциал?

5.  Нарисуйте эквипотенциальные поверхности поля точечного заряда, поля плоскости и плоского конденсатора.

6.  Перечислите свойства силовых линий электростатического поля.

7.  Укажите примеры, где видна необходимость изучения топографии электростатического поля.

8.  Чему равна работа перемещения заряда вдоль эквипотенциальной поверхности?

9.  Дайте определение силовой линии. Какое направление имеет силовая линия?

10.  Какое поле называется однородным? Как связаны между собой напряженность поля и потенциал в случае однородного поля?

11.  Как рассчитать напряженность однородного электрического поля?

12.  Почему силовые линии электрического поля и эквипотенциальные поверхности ортогональны?

Список литературы

1.  Савельев И.В. Курс общей физики. Книга 2. Электричество и магнетизм. − М.: ООО «Издательство Астрель»: ООО «Издательство АСТ», 2002.