В данной лабораторной установке для моделирования
электростатических полей используется пластмассовая ванна, на дно которой наливается
жидкость, обладающая достаточно малой электропроводностью, и кладутся электроды
заданной формы (рис. 2, поз. 2). На электроды от источника питания подается
напряжение. Приняв за начало отсчета (φ0 = 0) потенциал
отрицательного электрода, при помощи вольтметра 3 со щупом 4 можно определить
потенциал в любой точке налитой жидкости. Тем самым, имеется возможность найти
точки с одинаковым потенциалом. Зная координаты этих точек, можно вычертить
эквипотенциальную поверхность (линию). Для этой цели на дне ванны нанесена координатная
сетка. Таким образом, можно построить семейство эквипотенциальных поверхностей
во всем пространстве между электродами и вокруг них (не касаются краев ванны).
Описанный метод будет тем лучше моделировать электростатическое поле, чем меньше будет проводимость раствора (электролита). Увеличение проводимости означает увеличение в растворе – электролите числа заряженных частиц – ионов. Вследствие этого: 1) если ионы неподвижны, то качественно картина силовых линий не меняется, но уменьшается в среднем величина напряженности поля (рис. 3, а); 2) при включении напряжения между электродами ионы начнут двигаться от одного электрода к другому, что приведёт к появлению магнитного поля, действие которого сведется к тому, что ионы будут стремиться к области, где напряженность электрического поля наибольшая. В результате картина силовых линий изменится и не будет соответствовать электростатическому случаю (рис. 3 б).
Метод моделирования электростатических полей может быть использован при изучении других физических явлений. Так, например, явление теплопроводности аналогично явлению электропроводности. Уравнения, описывающие эти явления, полностью аналогичны: градиенту потенциала соответствует градиент температура, проводимости среды соответствует коэффициент теплопроводности. Следовательно, эквипотенциальным поверхностям будут соответствовать изотермы, силовым линиям – тепловые потоки. Таким образом, метод моделирования электростатических полей может помочь в решении весьма сложных задач по теплораспределению в зданиях и теплозащитных конструкциях.
Порядок выполнения работы
1. Налить в ванну 0,1% раствор NaOH на 1÷1,5 см от уровня дна.
2. Собрать схему установки согласно рис. 2. Тип электродов и их взаимное расположение задаётся преподавателем.
3. На листе бумаги или миллиметровке в масштабе 1:2 расчертить координатную сетку, нарисованную на дне ванны. В соответствии со схемой указать на ней расположение электродов.
4. Включить источник питания, вольтметр и измерить разность потенциалов U между электродами. Уменьшив это значение в n=6÷10 раз, оценить величину шага Δφ0=U/n (разность потенциалов), через который будут отыскиваться эквипотенциальные поверхности (линии): φ1=Δφ0, φ2=2Δφ0, ...,φn-1=(n-1)Δφ0.
5. Отступив несколько от центра левого электрода (φ0=0), измерительным щупом найти точку, где потенциал равен величине φ1. Отметить эту точку на координатной сетке заготовленного листа бумаги.
6. Перемещая щуп сначала к одному, а затем к другому краю ванны, найти ещё 5-8 точек с тем же потенциалом φ1. перенести координаты этих точек на заготовленный чертёж и соединить их плавной линией – тем самым получится изображение эквипотенциальной линии.
7. Двигаясь к правому электроду и используя методику, аналогичную изложенной в пунктах 5,6 найти и изобразить на чертеже все оставшиеся эквипотенциальные поверхности (линии) φ2,...,φn-1.
8. На полученном чертеже построить силовые линии, используя свойство их ортогональности к эквипотенциальным поверхностям и правила, изложенные в методике.
9. По заданию преподавателя выполнить ещё одну серию измерений, заменив сменные электроды или сильно изменив их расположение.
10. Сравнить конфигурации полученных полей и дать им объяснение.
11. В 2–3–х точках поля, указанных преподавателем, вычислить напряжённость поля, используя формулу (4).
Контрольные вопросы.
1. Какие поля называют электростатическими?
2. Дать определение напряжённости электростатического поля. Что называется силовой линией поля?
3. Дать определение потенциала, эквипотенциальной поверхности.
4. Построить картину силовых и эквипотенциальных линий системы двух точечных разноимённых зарядов, одноимённых зарядов.
5. В чём состоит принцип суперпозиции электрических полей?
6. Сформулировать теорему Гаусса – Остроградского.
7. Как определить напряжённость и потенциал поля, создаваемого точечным зарядом, заряженной сферой, пластинкой?
8. Как связаны напряжённость и потенциал электрического поля?
9. В каких единицах измеряются напряжённость и потенциал в СИ?
10. Докажите, что силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.
11. Почему распределение потенциалов в поле между электродами изменяется при помещении в него диэлектрика или проводника?
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.