Описание лабораторной установки

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Цель работы

Экспериментальное исследование электростатического поля между двумя заряженными проводниками произвольной формы и графическое изображение его.

Содержание работы

Взаимодействие между неподвижными электрическими зарядами осуществляется через электростатическое поле [1, 2]. Каждая точка этого поля характеризуется напряжённостью   (силовая характеристика) и потенциалом  (энергетическая характеристика). Между этими характеристиками существует связь:

.                                            (1)

Графически электростатическое поле изображается при помощи линий напряжённости (силовых линий) и эквипотенциальных поверхностей (поверхностей равного потенциала). Обычно при исследовании электростатических полей экспериментально определяется не эквипотенциальные поверхности, а их сечение какой-либо плоскостью, которые представляют собой эквипотенциальные линии.

Исследовать электростатическое поле – это значит найти во всех точках вектор напряжённости   или потенциал .

Исследование электростатического поля представляет ряд экспериментальных трудностей. Это обусловлено тем, что внесение заряда в исследуемое поле вызывает перераспределение зарядов, создающих поле, а, следовательно, искажает само поле.

На практике при изучении различных электростатических полей часто пользуются моделями, в которых напряжённость поля моделируется плотностью электрического тока. В отсутствии переменных во времени магнитных полей и при электропроводности среды значительно меньшей электропроводности вещества электродов электрическое поле постоянного во времени (стационарного) тока одинаково с электростатическимполем, создаваемым электродами любой формы в непроводящей среде или вакууме.

В рассматриваемом случае линии электрического тока в среде будут иметь направление, одинаковое с направлением напряжённости соответствующего электростатического поля, а эквипотенциальные линии в токопроводящей среде совпадут с эквипотенциальными поверхностями электростатического поля.

Следовательно, на практике исследование реальных электростатических полей фактически сводится к нахождению эквипотенциальных линий на поверхности слабо токопроводящей среды. Полученные таким способом эквипотенциальные линии условно принимаются за линии равного потенциала электростатического поля, по которым затем и рассчитывается напряжённость поля.

Таким образом, имеется возможность найти опытным путём линии равного потенциала, направление и значение напряжённости в любой точке электростатического поля между электродами произвольной формы. Данная задача возникает при конструировании электронных, ионных и многих других приборов, где надо знать распределение электрического поля между электродами сложной конфигурации.

Для экспериментального решения данной задачи может быть использован метод электролитической ванны. Изготовляются увеличенные подобные и подобно расположенные модели электродов, погружаемые затем в однородную слабо проводящую жидкость (электролит). Потенциалы электродов должны быть пропорциональны потенциалам соответствующих электродов прибора. При этом условии модель воспроизведет в увеличенном масштабе эквипотенциальные поверхности и силовые линии электрического поля заряженных электродов. Поскольку исследуемое пространство теперь заполнено проводящей средой, измерение потенциалов легко осуществить с помощью зонда.

В настоящее время, когда в распоряжении имеются достаточно мощные ЭВМ, распределение потенциала также можно рассчитать путем численного решения уравнения Лапласа. Данный метод легко реализуем на практике, и обладает массой преимуществ в сравнении с реальным экспериментом. Тем не менее, метод электролитической ванны имеет большое методическое значение, поскольку позволяет непосредственно на опыте исследовать закономерности электростатического поля, создаваемого электродами произвольной формы.

В данной работе экспериментально определяется семейство эквипотенциальных линий, и строятся ортогональные им линии напряжённости:

1) для поля плоского конденсатора;

2) для поля точечного заряда и заряженной плоскости.

Описание лабораторной установки

Схема установки для исследования электростатического поля представлена на рисунке 1.

Электроды А и В, электрическое поле которых исследуется, установлены в ванне СДNМ с раствором электролита малой концентрации.

На электроды через тумблер S подаётся постоянное напряжение от источника тока . Для исследования распределения потенциала в стационарных электрических полях используется зонд З, вводимый внутрь поля. Зондом служит тонкий металлический стержень, изолированный по всей длине, кроме конца. Потенциометром  задаётся начальный потенциал зонда З в точке О. При помощи микровольтметра V определяется разность потенциалов между исследуемой точкой и точкой, потенциал которой условно принят за нуль (точка О). Подстроечный резистор  позволяет менять чувствительность микровольтметра. Под прозрачным дном ванны расположена координатная сетка с осями  и .

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки

 

Для получения качественной картины исследуемого поля между электродами А и В, необходимо ввести зонд внутрь электролита, перпендикулярно поверхности дна электролитической ванны. При плавном перемещении зонда вдоль ванны на миллиметровой бумаге отмечают карандашом координаты тех точек, которые имеют одинаковый потенциал.