Исследование электростатического поля

Цель: экспериментальное исследование электростатического поля методом электролитического моделирования и его графическое описание с помощью эквипотенциальных линий и линий напряжённости.

Приборы и принадлежности: электролитическая ванна, источник постоянного тока на 10-15 В, вольтметр, набор электродов, зонд, соединительные провода.

Описание метода исследований и установки

Исследование электростатического поля представляет собой экспериментальную задачу, поэтому свойства электростатического поля выясняют, изучая другое поле – электрическое поле тока в слабопроводящей среде (электролит, электропроводная бумага). Известно, что электростатическое поле заряженных тел в вакууме и электрическое поле стационарных токов в слабопроводящей среде являются потенциальными. Они описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями, удовлетворяют одинаковым граничным условиям. Таким образом, изучение электростатического поля между системой заряженных проводников можно заменить изучением электрического поля постоянного тока между той же системой проводников, если их потенциалы поддерживать постоянными. В этом заключается метод электролитического моделирования электростатических полей. Этот метод используется при проектировании электронно-лучевых трубок, фотоэлектрических умножителей и других электронных и ионных приборов, где требуется знать конфигурацию электростатических полей.

На математическом подобии электрического поля токов в слабопроводящей среде и многих гидродинамических процессов основан метод электродинамической аналогии (ЭГДА). Этот метод позволяет решать многие задачи, возникающие в практике гидротехнических сооружений.

В медицине, ветеринарии диагностика многих заболеваний основана на регистрации биопотенциалов по методике, аналогично рассмотренной в данной работе. Каждый орган имеет своё специфическое электрическое поле. Например, сердце человека или животного можно уподобить электрическому диполю, находящемуся в однородной проводящей среде, которой являются окружающие сердце ткани. Регистрируя биопотенциалы электрического поля сердечной мышцы на поверхности тела, получают электрокардиограмму.

Схема установки представлена на рис.2.1.

y

Э₁ +

х V

–

Э₂

Рис. 2.1. Схема установки для исследования электростатического поля

Стеклянная ванна заполняется на 0,5 см водопроводной водой, которая является слабым электролитом с малой удельной электропроводностью. Под дно ванны подкладывают лист миллиметровой бумаги с нанесённой на ней координатной сеткой. Для регистрации потенциала в различных точках электролита используют зонд. Он представляет собой тонкий проводник без изоляции на конце. Зонд всегда принимает потенциал той точки электролита, в которой находится его острие. Между зондом и одной из клемм источника тока включен вольтметр, который показывает разность потенциалов между электродам Э₂ и зондом. Если принять условно потенциал первого электрода Э₁ равным нулю, вольтметр будет показывать потенциал зонда. Выбрав определенное значение потенциала и перемещая зонд, можно найти множество точек электролита с таким же значением потенциала. Совокупность этих точек представляет собой эквипотенциальную линию данного потенциала.

Задание 1. Построение эквипотенциальных линий электростатического поля:

1. Собрать схему, поместив цилиндрический электрод Э₁ в начало координат, а другой электрод Э₂ – на расстоянии 10 см от него.

2. Зарисовать точное положение и форму электродов на рабочем листе миллиметровой бумаги с координатными осями в масштабе 1:1 к листу, помещённому под ванной.

3. На линии, соединяющей электроды Э₁ и Э₂, зондом найти пять точек, равностоящих друг от друга, по значению потенциалов φ₁, φ₂, φ₃, φ_4, φ₅.

4. Перемещая зонд в электролите, найти не менее 10 точек равного потенциала, принадлежащих первой эквипотенциальной линии. Эти точки перенести на рабочий лист миллиметровой бумаги. По совокупности полученных точек построить линию равного потенциала φ₁.

5. Повторить п.4 для потенциалов φ₂, φ₃, φ_4, φ_5, вычертив для них эквипотенциальные линии на том же чертеже.

Задание 2. Построение линий напряжённости электростатического поля:

1. Используя картину эквипотенциальных линий для данной пары электродов, провести на чертеже линии напряжённости.

2. Вычислить напряжённость электростатического поля в трёх- пяти точках, указанных преподавателем.