«Исследование электростатических полей». Лабораторная работа 4 Исследование электростатических полей
 Скачать 35.77 Kb.
|
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 «Исследование электростатических полей» Цель работы: ознакомиться с методом моделирования электростатического поля с помощью электропроводной бумаги; исследовать электростатическое поле плоского и цилиндрического конденсаторов. Приборы и принадлежности: источник постоянного тока, вольтметр, электропроводная бумага, планшет с набором электродов, проводники, один из которых снабжен зондом. Сведения из теории Электростатическое поле (ЭСП) - форма материи, осуществляющая взаимодействие между заряженными телами. Основным свойством поля является его силовое действие на любой заряд, помещенный в поле. Источником ЭСП является неподвижный заряд (заряженное тело). Количественными характеристиками ЭСП являются напряженность и потенциал. Напряженность поля - векторная физическая величина, характеризующая силовое действие поля в точке, численно равная силе, с которой поле действовало бы на положительный единичный заряд, помещенный в данную точку поля и по направлению совпадающая с направлением действия этой силы. Напряженность - это силовая характеристика поля. Единица напряженности - Н/Кл (В/м). Если напряженность поля во всех точках одинакова по величине и направлению, то поле называют однородным, в противном случае - неоднородным. Потенциал поля в точке - это скалярная физическая величина, характеризующая энергетические свойства поля, численно равная потенциальной энергии положительного единичного заряда, помещенного в данную точку поля. Единицей потенциала является В (Дж/Кл). Потенциал - энергетическая характеристика поля. Потенциальная энергия, а вместе с ней и потенциал задаются с точностью до постоянной. Чтобы потенциал приобрел вполне определенное значение, надо придать ему некоторое значение в одной из точек поля. В физике принято считать ϕ = 0 в точке, удаленной бесконечно далеко от заряженного тела. Надо, однако, помнить, что хотя для любой точки поля можно указать такую величину, как потенциал, ясный физический смысл имеет только разность потенциалов двух точек поля (ϕ1 - ϕ2): она равна работе поля по перемещению единицы положительного заряда из одной точки (1) в другую (2). Измерить практически можно тоже только разность потенциалов. И, говоря об измерении потенциала, подразумевают измерение разности потенциалов двух точек, потенциал одной из которых условно принимается за нуль. Электростатическое поле можно изобразить графически. Делается это с помощью линий напряженности (силовых линий) и эквипотенциальных поверхностей. Моделирование электрического поля и описание установки. Исследовать ЭСП, созданное зарядами в вакууме или в воздухе, сложно (нужны специальные приборы). Поэтому чаще всего для изучения поля зарядов используют его модель - поле токов в слабо проводящей среде (в нашем случае - в электропроводной бумаге), которое, как и поле зарядов, является потенциальным. При этом силовым линиям ЭСП соответствуют так называемые линии тока (линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора плотности тока в этой точке), а поверхности равного потенциала этих полей просто совпадают. Сами потенциалы могут быть измерены обычным вольтметром, снабженным проводником с зондом - изолированным металлическим стержнем с заостренным концом. На рисунке 1 представлены внешний вид и электрическая схема установки. Здесь 1 - планшет, на который укладывается электропроводная бумага 4, к которой, в свою очередь, прижимаются электроды 2. На эти электроды от источника постоянного тока 3 подается разность потенциалов, создающая электростатическое поле (и электрический ток на поверхности бумаги). С помощью зонда 5 и вольтметра 6 легко измерить потенциал в любой точке поля: для этого достаточно коснуться зондом той или иной точки бумаги.  Рисунок 1. – Установка для исследования. Порядок выполнения работы 1. Путем осмотра познакомиться с приборами и принадлежностями. Установить предел измерения вольтметра, определить “цену” деления прибора. 2. Закрепить оба листа электропроводной бумаги на планшете темной графитовой стороной вверх, плотно прижав к ним обе пары металлических электродов. Контуры электродов обвести. 3. На прямолинейных электродах собрать электрическую цепь и после проверки подключить к источнику постоянного тока. 4. С помощью зонда проверить: на который из электродов подан более высокий потенциал (желательно “минус” - на левый). На бумаге пометить электроды знаками “+” и “-”. 5. Экспериментально найти 5-6 групп точек поля, каждая из которых (групп) имеет одинаковый потенциал. Начните с точек, лежащих на расстоянии 5-10 мм от “-” электрода. В каждой группе взять по 8-10 точек, в том числе во внешней для конденсатора области. Точки на бумаге отмечают прижатием зонда к бумаге. Показания вольтметра для каждой из групп (ϕ1, ϕ2, ϕ3, ...) занести в таблицу. 6. Перенести электрическую цепь на цилиндрические электроды. Подключить источник тока, установить полярность электродов и найти 2-3группы точек с одинаковыми потенциалами, значения которых записать прямо на бумаге. Источник поля отключить, цепь разобрать. 7. Оба листа бумаги снять. Повернуть (хотя и не обязательно) светлой стороной вверх. Отметить положение электродов, поставив знаки “+” и “-”. Точки с одинаковыми потенциалами соединить. Это и есть эквипотенциальные линии. На том и другом листе провести (по всему полю) по 7-10 линий напряженности, указав их направление.
 =  В/мНайдем расхождение в процентах между E = 158,7, В/м δ=(158,7-175,2)/(175,2)*100%= 9,4% График зависимости разности потенциалов (потенциала) от расстояния Δφi1= f (Δri1) имеет вид:  Вывод: Выполнив данную л.р., мы ознакомились с методом моделирования электростатического поля с помощью электропроводной бумаги; исследовали электростатическое поле плоского и цилиндрического конденсаторов. При увеличении расстояния Δri увеличивается и разность потенциалов Δφi. |