Описание лабораторного занятия № 9 «Изучение свойств электрического поля»

(наименование лабораторного занятия)

Дисциплина «ФИЗИКА»

(наименование дисциплины)

Цель занятия: получение графического изображения электростатических полей, созданных заряженными телами различной конфигурации, и определение напряженности электростатического поля в произвольной точке.

Оборудование: источник питания, пантограф, ванночка с водой, электроды, вольтметр, зонд.

Теоретическая часть. Электрическое поле – одна из форм существования материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрически заряженных тел. Поле, созданное неподвижными электрическими зарядами называется электростатическим.

Электростатическое поле в каждой точке характеризуется вектором напряженности и потенциалом . Напряженность поля  векторная физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный пробный положительный заряд, помещенный в данную точку поля:

(1)

Потенциал поля  скалярная физическая величина, численно равная потенциальной энергии единичного пробного положительного заряда, помещенного в данную точку поля:

(2)

Напряженность и потенциал электростатического поля связаны между собой соотношением:

(3)

где  производная потенциала по нормали n к эквипотенциальной поверхности называется градиентом потенциала, который также обозначается

.

Г радиентом потенциала называется вектор, направление которого совпадает с направлением наибольшего увеличения потенциала, а величина равна изменению потенциала на единицу длины в направлении наибольшего изменения (рис.1)

Графически электростатические поля изображаются с помощью силовых линий и эквипотенциальных поверхностей. Силовой линией электростатического поля или линией напряженности называется линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности (сплошные линии на рис.2)

Эквипотенциальная поверхность есть геометрическое место точек равного потенциала (пунктирные линии на рис. 2)

Силовые линии всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

Действительно, работа сил электростатического поля по перемещению заряда по эквипотенциальной поверхности на отрезке равна

так как изменение потенциала . С другой стороны

где  угол между направлением вектора и направлением отрезка .

Так как , следовательно

а .

Отсюда вытекает, что силовые линии электростатического поля перпендикулярны к эквипотенциальным поверхностям.

Метод исследования.

В данной работе для экспериментального исследования электростатического поля используется моделирование. Моделью электростатического поля является электрическое поле, возникающее в слабопроводящей среде при помещении в нее электродов, на которые подается переменное электрическое напряжение от внешнего источника. Изучение электростатического поля заряженных электродов заменяют изучением электрического поля в проводящей среде при наличии тока. Такую замену можно сделать потому, что математическое описание обоих полей тождественно и электрическое поле в слабопроводящей среде при наличии тока такое же, как электростатическое поле заряженных электродов до их погружения.

Определение положения точек в проводящей среде, имеющих одинаковый потенциал, осуществляется с помощью вольтметра (рис.3)

1 – ванна, 2 – источник питания, 3 – электроды, 4 – вольтметр, 5 – зонд.

К одной клемме вольтметра (рис.3) подключают зонд, вторую соединяют с одним из электродов. Перемещая зонд в пространстве между электродами так, чтобы вольтметр показывал одинаковое значение выбранной разности потенциалов, находят ряд точек с равным потенциалом.

В данной работе в качестве слабопроводящей среды используется вода.

Ход работы.

1. Установить в ванне два заранее заданных преподавателем электрода.

2. На столе пантографа укрепить лист чистой бумаги.

3. Включить установку в сеть.

4. Зондом коснуться каждого из электродов в нескольких точках, а пробойником проколоть лист. Соединив точки прокола получить изображения электродов. У каждого нарисованного на листе бумаги электрода написать соответствующее значение потенциала, определенное с помощью вольтметра.

5. Найти 34 эквипотенциальные линии в пространстве между электродами.

Для нахождения каждой линии зонд, опущенный в ванну, перемещать между электродами так, чтобы вольтметр показывал одинаковое значение выбранной разности потенциалов. Соединив их, получить эквипотенциальную линию, а рядом указать соответствующее значение потенциала.

6. Заменить по указанию преподавателя электроды и повторить для них измерения по пунктам 45. При этом на стол пантографа надо положить чистый лист бумаги.

7. Построить силовые линии поля, для каждой пары электродов.

8. Для пары электродов, создающих неоднородное электрическое поле, выбрать две близкорасположенные эквипотенциальные линии и рассчитать напряженность поля в любой произвольной точке между ними. Для этого воспользоваться соотношением.

Контрольные вопросы.

1. Какое поле называется электростатическим?

2. Назовите основные характеристики электростатического поля и дайте их определение.

3. Что такое линия напряженности и эквипотенциальная поверхность?

4. Какая существует связь между напряженностью электростатического поля и потенциалом?

Министерство образования и науки Краснодарского края

Государственное БЮДЖЕТНОЕ образовательное учреждение

среднего профессионального образования

«Новороссийский колледж радиоэлектронного приборостроения» КК