Дослідження властивостей електростатичного поля методом електролітичної ванни (Лабораторна робота № 3), страница 2

В першій частині роботи досліджуються еквіпотенційні лінії електричного поля між двома електродами. В електролітичній ванні (В), яка заповнена електролітом (водою), розташовані металеві електроди . На електроди подана змінна напруга . Електричне поле біля електродів вивчається за допомогою зонда , реостату  та вимірювального приладу , яким може бути осцилограф або чутливий вольтметр змінного струму. Для вимірювання різниці потенціалів застосовується вольтметр .

Електричний опір реостата разом з опором електроліту між зондом та електродами утворюють електричну схему, відому під назвою місток Уітстона, у діагональ якої увімкнено чутливий вимірювальний прилад . Змінюючи розташування зонду по відношенню до електродів  та , можна знайти такі точки поля, потенціал яких дорівнює потенціалу повзунка реостата. Геометричне місце точок з однаковим потенціалом відповідає одній еквіпотенціальній поверхні. При малій глибині ванни замість поверхні виходить її горизонтальний переріз, тобто еквіпотенціальна лінія.

Необхідно намалювати еквіпотенціальні лінії на міліметровому папері для кількох значень потенціалу повзунка реостату.

В другій частині роботи досліджуються процес керування рухом електронних пучків за допомогою стаціонарних електричних полів. Ці питання вивчаються в рамках галузі фізики, що називається електронна оптика. Назва електронна оптика походить від подібності законів розповсюдження променів світла у прозорих середовищах та електронних пучків в електричних полях.

Під впливом електричного поля електрони рухаються так, що змінюється нормальна до еквіпотенціальної поверхні складова частина швидкості, а зберігається тангенціальна складова. При переході електрона від точки з потенціалом  до точки з потенціалом  виконується співвідношення:

=                                                                          (4)

де  - кути між відповідними векторами швидкості  та їх нормальними складовими частинами . Для світлових хвиль замість швидкостей слід писати коефіцієнти заломлення двох оптично прозорих речовин _, . Якщо електрони починають рухатися в електростатичному полі з нульовою швидкістю, то, прискорюючись електричним полем, вони отримують кінетичну енергію, яка визначається потенціалом точки простору, де вони знаходяться. Тому рівняння (4) можна переписати так

                                                                (5)

Таким чином, в електронній оптиці роль показника рефракції виконує , а рівняння рефракції світла переходить у рівняння заломлення електронного пучка при заміні  ® .

Якщо у просторі між електродами 1 та 2 розташувати ще один електрод, який складався б з двох частин, то подаючи на ці частини однаковий потенціал, можна моделювати електростатичну лінзу.

Виконання роботи.

1.  Скласти електричне коло відповідно до мал.1.

2.  Визначити розташування електродів у ванні та відобразити це на міліметровому папері.

3.  Заповнити ванну електролітом та подати по черзі напругу  на електроди .

4.  Користуючись вимірювальним приладом, знайти еквіпотенціальні лінії, що відповідають вибраній різниці потенціалів між електродами  та нанести їх на міліметровий папір. Намалювати також силові лінії електричного поля.

5.  Скласти електричне коло, розташувавши у просторі між електродами  та  ще один електрод , який складається з двох пластин. Спершу треба виміряти потенціал електричного поля  у місці розташування електродів . Подаючи на ці частини однаковий потенціал, у два рази більший та в два рази менший , промоделювати електростатичну лінзу. Знайти фокусну відстань електростатичної лінзи для цих випадків.

Контрольні запитання.

1.  Що таке потенціал та напруженість електричного поля та як вони зв’язані ?

2.  Що таке силові та еквіпотенціальні лінії електричного поля ?

3.  Чому можна замінити дослідження поля статичних зарядів дослідженням поля електричних струмів?

4.  Чому на електроди лабораторного макета подають змінну напругу сталої частоти ?

5.  Виведіть закон рефракції електронних пучків.

6.  Поясніть принцип фокусування або розсіювання заряджених частинок електронною лінзою.

7.  Сформулюйте та запишіть закон Кулона та теорему Гаусса.

8.  Які умови потенціальності електричного поля ?

9.  Доведіть ортогональність еквіпотенціальних та силових ліній електричного поля.

Мал..1