Методика проведения измерений и описание экспериментальной установки

Исследование электростатического поля заключается в нахождении величины и направления напряженности в любой его точке, т.е. в построении силовых линий такого поля.

Электроды располагают друг относительно друга так же, как они расположены в моделируемом приборе и погружают затем в однородную слабо проводящую жидкость (электролит), например, в водопроводную воду. При этом условии модель воспроизведет в увеличенном масштабе эквипотенциальные поверхности и силовые линии электрического поля заряженных электродов.

Экспериментальная установка состоит из ванны, наполненной электролитом с двумя электродами произвольной формы (рис. 12.1).

Для определения потенциала в любой точке поля используется вольтметр, который включен между одним из электродов, потенциал которого будем считать равным 0, и щупом. На электроды подается напряжение постоянного тока.

Для зарисовки эквипотенциальных линий на бумаге служит пантограф.

Порядок выполнения работы

1. Налить в ванну 1,5 литра водопроводной воды и собрать схему в соответствии с рис. 12.1. (Конфигурация электродов и их расположение указываются преподавателем.)

2. Включить источник тока. Перемещая щуп, убедитесь в изменении потенциала при переходе от точки к точке (в разных точках ванны).

3. Закрепить на приборном столике лист миллиметровой бумаги.

4. Обозначить положение электродов на бумаге (отметить крайние точки, потом соединить их прямыми линиями) и записать их потенциал.

5. Перемещая щуп вдоль одного из электродов, определить несколько (не менее 7) точек равного потенциала, например 1,5 В (см. рис. 12.1). При этом зафиксировать их на бумаге. Соединив точки кривой, получить эквипотенциальную линию и обозначить ее потенциал.

6. Аналогично построить еще не менее четырех эквипотенциальных линий с другими значениями потенциала, равноотстоящих друг от друга через 0,30,5В.

7. Повторить опыт для другого расположения электродов (рис. 12.2) (по указанию преподавателя).

Обработка результатов измерений

1. Провести линии напряженности электрического поля (силовые линии). Для этого на бумаге вдоль одной из эквипотенциальных линий сделать отметки через 1030 мм и пунктиром провести линии напряженности электрического поля ортогонально (перпендикулярно) к построенным эквипотенциальным линиям.

2. Измерив расстояние между эквипотенциальными линиями вдоль силовой линии, вычислить по формуле напряженность электростатического поля:

, (12.10)

и обозначить на чертеже напряженность не менее чем в семи точках. При этом необходимо учесть, что пантограф, используемый в работе, дает уменьшение реальных расстояний в 2 раза.

3. Оцените систематическую ошибку измерений по формуле:

, (12.11)

где и– погрешности в измерении потенциала и расстояния между эквипотенциальными линиями, соответственно.

Контрольные вопросы

1. Что называют электростатическим полем? Что является источником электростатического поля?

2. Какими свойствами обладает электростатическое поле?

3. Что называется напряженностью электрического поля?

4. Что называется потенциалом? Какая существует связь между напряженностью и потенциалом?

5. Каким образом среда влияет на величину силовой (энергетической) характеристики электрического поля? Какой параметр среды описывает отличие поля в данной среде и вакууме?

6. Что такое силовая линия? Изобразите графически электростатическое поле одиночного положительного заряда (отрицательного, двух одноименных или разноименных точечных зарядов) и поле между разноименно заряженными пластинами.

7. Какие способы графического построения электростатических полей используются на практике?

8. Как напряженность и потенциал зависят от формы электродов?

9. Чему равны напряженность и потенциал внутри кольцевого электрода?

10. Что называется эквипотенциальной поверхностью? Для схем (рис. 12.2) начертите приблизительный вид эквипотенциальных поверхностей.

11. Покажите, что силовые линии напряженности электростатического поля ортогональны эквипотенциальным поверхностям.

12. Какое поле называется потенциальным?

13. Физический смысл циркуляции напряженности электростатического поля вдоль замкнутого контура.

14. Какая величина называется градиентом?

15. Что называют электрическим диполем?

16. Для каких целей нужно разрабатывать методики и проводить исследования электростатических полей?

17. Укажите по возможности больше черт сходства и различия между электрическим и гравитационным полями.

18. Докажите, что напряженность поля в точке А, лежащей на перпендикуляре к оси диполя, восстановленном из его середины, при r>>lравна:, гдеl– расстояние между зарядами диполя,r– расстояние от точки А до оси диполя.

19. Расстояние между двумя положительными зарядами q₁=q₂=qравноl. Чему равна напряженность поля в точке, отстоящей на одинаковом расстоянииaот обоих зарядов?

20. Электрическое поле Земли вблизи поверхности имеет напряженность около 130 В/м. Тогда между точками, в которых находятся голова и ноги человека, должно быть напряжение свыше 200 В. Почему мы не ощущаем этого поля, тогда как прикосновение к полюсам сети с напряжением 200 В весьма болезненно?

21. Начертите картину линий электрического поля, если между заряженными пластинами помещен металлический шарик?