Описание установки и методики измерений

Для моделирования электростатического поля удобно использовать аналогию, существующую между электростатическим полем, созданным заряженными телами данной формы в вакууме, и электрическим полем постоянного тока, текущего по проводящей плёнке с однородной проводимостью. При этом расположение силовых линий электростатического поля оказывается аналогично расположению линий электрических токов. То же утверждение справедливо для потенциалов. Распределение потенциалов поля в проводящей плёнке такое же, как в электростатическом поле в вакууме, если оно задано заряженными телами, сечение которых плоскостью плёнки совпадает со "следом", оставляемым моделью электрода на плёнке, а высота бесконечно велика.

 

В качестве проводящей плёнки в работе используется электропроводящая бумага с одинаковой во всех направлениях проводимостью.

Рис 1.2

На бумаге устанавливаются массивные модели электродов, так что обеспечивается хороший контакт между электродом и проводящей бумагой. Для исследования электростатического поля применяется установка (рис.2), состоящая из лабораторного модуля, зонда, выносного элемента, источника питания ИП и вольтметра. Выносной элемент представляет собой панель, на которую помещают лист миллиметровой бумаги.  На данном листе будут отмечаться точки равного потенциала, а затем строятся эквипотенциальные  и силовые линии поля.

 Напряжение от источника питания ИП подается на электроды, установленные на электропроводящей бумаге. К модулю также подключаются зонд  и вольтметр.

Потенциал зонда равен потенциалу той точки поверхности электропроводящей бумаги, которой он касается. Совокупность точек, для которых потенциал одинаков, и есть изображение эквипотенциали поля. Вольтметр измеряет потенциал точки, которой касается зонд, относительно электрода с нулевым потенциалом. Для построения эквипотенциалей необходимо найти 5-6 точек с одинаковым потенциалом. Нахождение точек осуществляется путем перемещения зонда по электропроводящей бумаге. Для построения модели элетростатического поля необходимо определить местонахождение     3 - 4 эквипотенциалей.

 

Порядок выполнения работы

1. Укрепить на предметном столике (поле изображений) лист  миллиметровой бумаги, на котором вы будете отмечать положение точек с одинаковым потенциалом.

3. Включить источник питания и установить по вольтметру на лицевой панели прибора напряжение 9 - 12 В.

4. Касаясь зондом электродов, определить потенциалы электродов и отметить точками их положение на листе миллиметровой  бумаги. Контуры электродов определяют крайние эквипотенциали.

5. Перемещая зонд по электропроводящей бумаге, найти и отметить 5-6 точек с одинаковым потенциалом в 1.5 или 2 В. Изображение этих точек необходимо будет зафиксировать на миллиметровой бумаге.

6. Аналогичным образом определить положение других эквипотенциалей, отличающихся друг от друга на одну и ту же разность потенциалов (1.5 – 2В).

7. Отключить лабораторную установку от сети.

8. Снять миллиметровую  бумагу с доски и по точкам начертить эквипотенциали. На каждой эквипотенциали отметить соответствующее ей значение потенциала.

Обработка результатов измерений

1. На картине поля начертить координатную ось x, проходящую через центры электродов.

2. В табл. 1 записать координаты и соответствующие им потенциалы точек поля. Построить график j = f (х).

Таблица 1

№	1	2	3	4	5
j, В
х, см

3. Построить картину силовых линий поля. Густота и направление силовых линий должны соответствовать расположению эквипотенциалей.

4. По формуле (3) рассчитать средние значения напряжённости электрического поля в точках с координатами x _ср, расположенных примерно в середине каждой пары эквипотенциалей. Результаты занести в табл. 2.

Таблица 2

№	x ср, см	j i, В	j i -1, В	Dj n =j i -j i -1, В	D х, см	< Ех >, В/см
1
2
…

  

 5. Построить график зависимости < Е_х >(х) по данным табл.2.

6. Рассчитать поверхностную плотность заряда на электродах, используя формулу (4).

Контрольные вопросы

1. Что называется напряжённостью электростатического поля?

2. Что называется потенциалом, разностью потенциалов электростатического поля?

3. Какова дифференциальная связь между вектором напряжённости электростатического поля и потенциалом?

4. Какова интегральная связь между разностью потенциалов и напряжённостью электростатического поля?

5. На чем основывается возможность моделирования электростатических полей?