Контрольні запитання

1. Що таке електричний струм?

2. Що таке густина струму.?

3. Записати та сформулювати закон Ома для ділянки схеми.

4. Записати закон Ома в диференціальній формі.

5. Зв'язок між питомим опором провідника і його питомою електропровідністю.

6. Записати залежність опору провідника від його геометричних розмірів.

7. Що таке питомій опір?

8. Записати закон Ома для замкненого кола.

9. Сформулювати і записати закон Джоуля – Ленца.

10. Записати закон Джоуля-Ленца в диференціальній формі.

11. Сформулювати і записати перший закони Кірхгофа.

12. Сформулювати і записати другий закони Кірхгофа.

13. Як знаходиться загальний опір при послідовному з’єднанні?

14. Як знаходиться загальний опір при паралельному з’єднанні?

15. Вивести робочу формулу для опору по лівій схемі вимірювання.

16. Вивести робочу формулу для опору по правій схемі вимірювання.

Література

1. Чолпан П.П. Фізика.- К.: Вища школа, 2003.- С.217-221.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. - т.2, М.: Наука,1982.- С.93-108.

3. Трофимова Т.И. Курс физики.- М: Высшая школа, 1990.- С.154-162.

4. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики.-т.2,К.:Техніка, 2001.-С.105-133.

Інструкцію склав доцент кафедри фізики ЗНТУ Манько В.К.

6 Лабораторна робота № 23 дослідження електростатичного поля на моделі

Мета роботи: побудувати еквіпотенціальні та силові лінії електростатичного поля та розрахувати: напруженість; густину енергії поля; роботу по переміщенню заряду в електричному полі.

Прилади і обладнання: джерело живлення, потенціометр, панель з електродами та електропровідним папером, зонд, осцилограф.

6.1 Теоретична частина

Електростатичне поле створюється нерухомими електричними зарядами і визначається в кожній точці простору силою, що діє на пробний заряд.

Силовою характеристикою електростатичного поля є його напруженість:

[Н/Кл] , (6.1)

де – сила, яка діє на позитивний точковий заряд q, внесений у дану точку поля.

Крім силової електричне поле має і енергетичну скалярну характеристику – потенціал φ. Він визначається роботою, яку виконує електрична сила при переміщенні одиничного позитивного заряду з даної точки поля в нескінченність, де прийнято потенціал рівним нулю. Вимірюється потенціал в СІ у вольтах В.

Коли заряд переміщується з точки 1 в точку 2, виконана при цьому робота не залежить від траєкторії і визначається тільки різницею потенціалів:

. (6.2)

Оскільки електростатичне поле виконує роботу, то воно має енергию . (6.3) Об’ємна густина енергії, тобто енергія одиниці об’єму простору, де створене поле, знаходиться за формулою

[Дж/м³], (6.4)

де _о = 8,85·10^-12 Ф/м – електрична стала,  – відносна діелектрична проникність середовища, величина безрозмірна і показує у скільки разів напруженість у середовищі менша, ніж у вакуумі.

Потенціал є функцією координат . Якщо розподіл потенціалу відомий, можна знайти напруженість:

, (6.5)

де оператор grad в правій частині називається градієнтом. Він діє на скалярну функцію координат за правилом:

, (6.6)

є одиничні вектори вздовж осей x, y і z, відповідно.

Графічно електростатичне поле зображають за допомогою еквіпотенціальних поверхонь (еквіпотенціальних ліній в двохвимірному випадку) та силовими лініями (лініями напруженості).

Еквіпотенціальна поверхня (лінія) – це геометричне місце точок однакового потенціалу.

Силовою лінією називається лінія, дотична до якої в кожній точці співпадає з вектором напруженості. При побудові силових ліній можна використати такі їх властивості:

а) силові лінії починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативних зарядах (або розсіюються в нескінченності);

б) силові лінії при перетині еквіпотенціальних поверхонь (ліній) спрямовані перпендикулярно до них;

в) оскільки заряджені металеві поверхні є еквіпотенціальними, силові лінії виходять (або входять) перпендикулярно до електродів;

г) силові лінії розташовані густіше в тих місцях, де більше напруженість;

д) силові лінії спрямовані від більшого потенціалу до меншого.

Існує аналогія між розподілом потенціалу електростатичного поля в однорідному діелектричному середовищі та розподілом потенціалу в однорідному провіднику з електричним струмом. Це можна пояснити тим, що обидва випадки описуються тим же самим рівнянням, яке не включає жодного параметру середовища

. (6.7)

Це рівняння може бути застосоване до діелектрика так же само, як до провідника. Можна вивчати електричне поле в діелектрику шляхом вимірювання розподілу потенціалу в провіднику, хоч цей розподіл потенціалу має зовсім інше походження.

Розподіл потенціалу в тонкому провідному шарі використовується в цій роботі в якості двохвимірної моделі електростатичного поля. Для вимірювання потенціалу використовується місткова схема (рис. 6.1). Два металевих електроди А і Б притиснуті до аркуша паперу з провідним шаром. Напруга U_o = 6,3 В від джерела живлення подається на електроди і на нижні клеми реостата. До рухомого контакту (движка) Д реостата через клеми вертикального відхилення осцилографа (вхід Y) приєднується зонд З.

Осцилограф використовується в якості індикатора наявності різниці потенціалів. Коли зонд доторкається поверхні провідного паперу, на осцилографі спостерігається сигнал у вигляді вертикального відрізку, висота якого пропорційна різниці потенціалів між точкою дотику зонда та контактом З. Коли потенціал в точці дотику дорівнюватиме потенціалу на рухомому контакті, на екрані буде спостерігатись мінімум (в ідеальному випадку точка).