Расчет напряженностей электрического поля, плотностей поверхностных зарядов и графическое изображение поля

Обозначьте на картине поля пять точек у поверхности каждого электрода. Из выбранных точек проведите силовые линии до другого электрода. При построении силовых линий используйте ортогональность силовых линий линиям постоянного потенциала. Вдоль одной из силовых линий найдите разности потенциалов между соседними парами эквипотенциальных линий  — , расстояния d между ними и запишите в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Определение напряженности электростатического поля

и плотности поверхностных зарядов

Пары точек	1	2	3	4	5	6	7	8	…
 — 
d
Е


Вычислите по формуле (9.2) и запишите напряженности электрического поля Е в выбранных точках.

Вычислите по формуле (9.4) и запишите плотности поверхностных зарядов  на электродах в выбранных точках.

9.4. Выводы

Дайте определение силовой характеристики электрического поля и ее размерности.

Дайте определение энергетической характеристики электрического поля и ее размерности.

9.5. Контрольные вопросы

Как графически изображают электрическое поле?

Как связаны напряженность и потенциал электрического поля?

Что такое электрическое напряжение?

Что такое эквипотенциальная поверхность? Каковы ее свойства?

Литература: [9 – гл. 1], [10 – Раздел 3].

Работа 10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ

СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

И МАГНИТНОГО МОМЕНТА ПОСТОЯННОГО МАГНИТА

10.1. Цель работы

• Изучение характеристик магнитного поля и структуры магнитного поля Земли.

• Определение магнитного момента постоянного магнита, соленоида с током.

• Получение навыка применения принципа суперпозиции для расчета магнитных полей.

10.2. Общие теоретические сведения

Опыт показывает, что подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электрическое поле, так в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Магнитное поле обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты. Название «магнитное поле» связано с ориентацией магнитной стрелки под действием поля, создаваемого током. Это явление обнаружено датским физиком X. Эрстедом (1777—1851).

Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нем электрические заряды. В отличие от него магнитное поле действует только на движущиеся электрические заряды. Характер воздействия магнитного поля на ток зависит от формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника и от направления тока.

Если в данную точку магнитного поля помещать рамки с раз­личными магнитными моментами, то на них будут действовать различные вращающие моменты, однако отношение (М_max — максимальный вращающий момент) для всех контуров будет одинаковым, что может служить характеристикой магнитного поля, называемой магнитной индукцией.

Магнитная индукция в данной точке однородного магнитного поля определяется максимальным вращающим моментом, действующим на рамку с магнитным моментом, равным единице, когда нормаль к рамке перпендикулярна направлению поля.

Магнитное поле изображают с помощью линий магнитной индукции, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции. Их направление задается правилом правого винта: при ввинчивании винта по направлению тока его вращательное движение совпадает с ориентацией линий магнитной индукции.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током. Этим они отличаются от линий напряженности электростатического поля, которые разомкнуты (начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных).

В любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Такие токи создают свое магнитное поле. Под действием внешнего магнитного поля происходит ориентация микротоков и возникает дополнительное магнитное поле. Вектор магнитной индукции В характеризует результирующее магнитное поле, состоящее из внешнего поля, создаваемого макротоками, и внутреннего, обусловленного микротоками.

Внешнее магнитное поле описывается вектором напряженности Н. Для однородной изотропной среды вектор магнитной индукции В связан с вектором напряженности соотношением

 

В = µµ_оН,

где µ_о - магнитная постоянная (µ_о = 4π·10^-7 Н/А²); µ - безразмерная величина – магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз магнитное поле усиливается за счет поля микротоков среды.

Земля представляет собой огромный шаровой магнит. В окружающем Землю пространстве обнаруживается магнитное поле. Северный магнитный полюс N находится на Южном географическом, и наоборот. Существование магнитного поля Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Если магнитную стрелку подвесить на нити так, чтобы точка подвеса совпала с центром тяжести магнитной стрелки, то стрелка установится по направлению касательной к линии магнитной индукции поля Земли. В Северном полушарии южный конец ее будет наклонен к поверхности Земли и стрелка составит с горизонтом угол наклонения (на магнитном экваторе угол наклонения равен нулю). Вертикальная плоскость, в которой расположена стрелка, называете плоскостью магнитного меридиана. Так как магнитные полюса не совпадают с географическими, то стрелка отклоняется от географического меридиана. Угол между плоскостью магнитного и географического меридианов называется магнитным склонением.

Вектор магнитной индукции В поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную В₀ и вертикальную B_z. Если магнитная стрелка свободно вращается лишь вокруг вертикальной оси, то ее поворот осуществляется под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.

Горизонтальная составляющая магнитного поля Земли, магнитные склонение и наклонение - основные характеристики земного магнетизма. Эти характеристики изменяются со временем. Из года в год меняется положение магнитных полюсов. Палеонтологические исследования магнитного поля Земли в далеком прошлом, основанные на измерении остаточной намагниченности земных пород, показали, что, например, на протяжении последних 80 млн лет не только изменялась индукция магнитного поля, но и происходило многократное перемагничивание, в результате которого Северный и Южный магнитные полюса Земли менялись местами.