1 Описание установки
Электростатическое поле характеризуется в каждой точке пространства вектором напряженности E и потенциалом φ. Учитывая связь между этими величинами (3), согласно которой линии напряженности и эквипотенциальные поверхности взаимно перпендикулярны, для исследования электростатического поля достаточно найти распределение в пространстве одной из этих двух характеристик поля. Так имея картину линий напряженности поля, можно построить систему эквипотенциальных поверхностей, и, наоборот, зная положение поверхностей равного потенциала, можно поострить линии напряженности поля (рисунок 3). Экспериментально проще изучать распределение потенциала, так как большинство приборов, пригодных для изучения полей, измеряют разности потенциалов, а не напряженности поля.
Рисунок 3
В основу изучения распределения потенциалов в электрическом поле положен метод зондов. Сущность метода состоит в том, что в исследуемую точку поля, создаваемого заряженными проводниками(электродами), вводится специальный электрод-зонд, соединённый с прибором, измеряющим приобретённый зондом потенциал относительно какой- либо точки поля, выбранной за начало отсчёта потенциала. Для электростатических полей, создаваемых неподвижными зарядами в непроводящей среде, передача зонду потенциала той точки поля, в которую он помещен, сама по себе происходить не может. Для её осуществления необходимо обеспечить стекание(или натекание ) электрических зарядов с зонда, что в условиях непроводящей среды невозможно. В этом случае необходимо использовать такие зонды, которые создают местную ионизацию среды, например, пламенные зонды. Однако такое исследование осуществить довольно трудно. На практике прямое излучение электростатического поля заменяют изучение его на более удобной модели, представляющей собой электрическое поле постоянного во времени(стационарного) тока в проводящей среде между электродами, форма и взаимное расположение которых такие же, как и в изучаемом электростатическом поле.
Поскольку в однородной проводящей среде при прохождении по ней постоянного тока нет объемных электрических зарядов, поле в пространстве между электродами, к которым приложено постоянное напряжение, имеет ту же конфигурацию, какую оно имело бы в непроводящей среде и в вакууме, если электропроводимость проводящей среды много меньше электропроводимости электродов. При невыполнении этого условия линии напряженности поля постоянных токов не будут перпендикулярны поверхностям электродов, т.е. измениться их конфигурация. Таким образом, электростатическое поле в непроводящей среде(в вакууме или диэлектрике) и поле постоянных токов в однородной слабо проводящей среде практически одинаковы: оба поля потенциальны, а их линии напряженности перпендикулярны поверхностям заряженных проводников-электродов(вблизи этих поверхностей).
При изучении поля постоянного тока в качестве зонда используется металлический стержень. В проводящей среде заряды будут натекать на зонд, и он примет потенциал той точки поля, в которую помещён.
Имея картину распределения потенциала в изучаемом поле, можно получить линии напряженности поля, используя связь между напряжённостью и потенциалом электрического поля.
Лабораторная установка (рисунок 4) представляет собой ванну 1, выполненную из материала с хорошими изоляционными свойствами. В ванну помещают металлические электроды 2, поле между которыми подлежит изучению, и наливают водопроводную воду слоем около 5 мм. Проводимость такого слоя воды порядка 10-3 ÷ 10-2 Ом-1· м-1 ,а проводимость материала электродов 2 порядка 107 Ом-1· м-1 .
Рисунок 4
Так как при подача на электроды постоянного напряжения происходит их «экранизация», в результате которой уменьшается сила тока через электролит(воду) и изменяется распределение потенциалов изучаемого поля, измерения следует проводить, используя переменное напряжение низкой частоты (50 Гц). В этом случае, учитывая, что потенциалы во всех точках исследуемого поля неизменными. Подаваемое напряжение от генератора низкой частоты (ГНЧ) 4 не должно превосходить 3 В.
В поле между электродами помещают зонд 3, соединенный с вольтметром переменного напряжения 5. Дно ванны имеет координатную сетку. Помещая зонд в точки с определенными координатами, с помощью вольтметра 5 определяют потенциалы этих точек относительно одного из электродов.