Лабораторная работа № Эв1. Исследование электрического поля точечного заряда

Цель работы: Познакомиться с моделированием электрического поля точечного заряда. Экспериментально измерить характеристики электрического поля (ЭП) точечного заряда.

Приборы и принадлежности: мультимедийное учебное пособие «Открытая физика» версия 2.6, часть 2, модель 1.2.Электрическое поле точечных зарядов.

I. Описание установки и метода измерений

Для запуска программы необходимо щелкнуть левой кнопкой мыши, когда ее маркер расположен над эмблемой данной части сборника компьютерных моделей. После этого появится начальная картинка, имеющая вид, откроется полный список моделей этой главы.:

Затем необходимо щелкнуть левой кнопкой мыши, установив ее маркер на верхней строке модель 1.2. Электрическое поле точечных зарядов в Главе 1. Электродинамика. Откроется список моделей курса.

Для работы с интересующей вас моделью необходимо левой кнопкой мыши щелкнуть по искомой модели.

В этой лабораторной работе рассматривается модель 1.2. «Электрическое поле точечных зарядов», которая имеет вид:

Компьютерная модель демонстрирует картину силовых линий и эквипотенциальных поверхностей точечного заряда или системы из двух точечных зарядов. Можно изменять величины зарядов и их знаки, а также расстояние между зарядами. При установке курсора в любой точке и нажатии левой клавиши мыши компьютер высвечивает на дисплее значения модуля вектора напряженности электрического поля и потенциала φ в данной точке. Следует обратить внимание, что в электрическом поле двух точечных зарядов возможны сферические эквипотенциальные поверхности.

Краткая теория

Электрическим полем (ЭП) называется область пространства, в которой на электрически заряженную частицу действует сила, называемая электрической (кулоновской).

Источником ЭП являются частицы, несущие электрические заряды.

Электрический заряд - особая характеристика частицы, определяющая ее способность создавать ЭП и взаимодействовать с другими ЭП или заряженными частицами.

Точечным зарядом будем называть частицу, имеющую электрический заряд, размерами которой в данной задаче можно пренебречь.

Основные свойства электрического заряда:

1. Заряд инвариантен – его величина одинакова при измерении в любой инерциальной системе отсчета.

2. Заряд сохраняется – суммарный заряд изолированной системы тел не изменяется.

3. Заряд аддитивен – заряд системы тел равен сумме зарядов отдельных тел.

4. Заряд дискретен – заряд любого тела по величине кратен минимальному заряду, который обозначается символом е и равен е =1.6 10^-19 Кл.

5. Электрический заряд существует в двух разных видах: положительный и отрицательный. Заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков - притягиваются друг другом. Положительный элементарный заряд будем обозначать символом (+е), отрицательный – (-е).

		протон обладает элементарным зарядом - (+e)
Элементарные частицы		электрон обладает элементарным зарядом - (-е)
		нейтрон обладает элементарным зарядом равным 0.

Самая маленькая частица электрического заряда - называется элементарным зарядом.

Заряд всех элементарных частиц (если он не равен нулю) одинаков по абсолютной величине.

Если вблизи одной заряженной частицы (заряда q₁), расположенной в начале координат, будет находиться вторая заряженная частица (заряд q₂), то на второй заряд будет действовать кулоновская (‘лектрическая ) сила , определяемая законом Кулона:

(1),

где - радиус-вектор точки наблюдения, - единичный радиус-вектор, направленный в точку наблюдения, ₀ - электрическая постоянная.

Напряженность электрического поля (НЭП) - характеристика силового действия ЭП на заряд. Напряженность ЭП, создаваемого зарядом q₁ , есть векторная величина, обозначаемая символом ( q₁) и определяемая соотношением :

(2),

где - сила, действующая на заряд q_пр.

Величину модуля напряженности поля точечного заряда q рассчитывают по формуле:

(3).

Силовая линия ЭП - линия, в любой точке которой вектор напряженности ЭП направлен по касательной к ней.

Для ЭП справедлив принципу суперпозиции: напряженность ЭП нескольких электрических зарядов является суммой векторов напряженности поля, создаваемого независимо каждым зарядом:

(4).

Линии напряженности электрического поля точечного заряда представляют собой прямые радиальные линии, идущие от заряда (положительного) или к заряду (если он отрицателен).

Энергетической характеристикой электрического поля является потенциал.

Потенциалом данной точки ЭП называется скалярная характеристика ЭП, численно равная работе сил поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки в другую фиксированную точку ₀, в которой потенциал принят за 0 (например, в бесконечность):

(5),

где, q_пр – единичный положительный заряд.

Величину модуля потенциала поля, созданного точечным зарядом q рассчитывают по формуле:

(6).

Между силовой ( и энергетической () характеристиками ЭП связь задается формулой:

(7).