electricity Labworks / 1.1-1.4 Электростатика проводников и диэлектриков / Labwork(electricity)1-3

1. ЭЛЕКТРОСТАТИКА ПРОВОДНИКОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ

Лабораторная работа 1.3

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ИНДУКЦИЯ

Цель работы - экспериментальное изучение явления электростатической индукции.

При внесении проводника в электростатическое поле происходит перемещение квазисвободных электронов проводника. Перемещение происходит до тех пор, пока поле созданное переместившимися зарядами, не скомпенсирует полностью внешнее поле, т. е. пока суммарное электрическое поле внутри проводника не станет равным нулю. В результате проводящее тело на отдельных участках (эквипотенциальной!)

поверхности приобретает индуцированный заряд, причем сумма всех индуцированных зарядов тела равна нулю, т. е. суммарный заряд тела при этом не изменяется.

В отличие от проводников, в диэлектриках (Термин "диэлектрик" введен М. Фарадеем для обозначения веществ, в которые проникает электростатическое&поле.)

входящие в состав их заряды при наложении внешнего электрического поля E лишь немного смещаются относительно друг друга, образуя электрические диполи, моменты

которых пропорциональны E& ; может произойти также частотная ориентация молекул, обладающих электрическим моментом, в направлении поля. В обоих случаях суммарный электрический дипломный момент диэлектрика становится отличным от нуля, а на поверхности диэлектрика появляются связывающие заряды. Описанное явление носит название поляризации диэлектрика. Мерой поляризации служит дипломный момент единицы объема диэлектрика

P* = ∑ P&i /V

где P&i - электрический дипломный момент атома или молекулы, а суммирование

производится по всем молекулам, входящим в объем V. Поляризованный диэлектрик порождает электростатическое поле, направленное против внешнего поля. (Существуют тела, обладающие дипольным моментом даже при отсутствии внешнего поля; это - сегнетоэлектрики.)

Явление электростатической индукции подробно описано в книгах /I/, /3/.

Наиболее просто проверить законы электростатической индукции, экспериментируя с проводниками. Если две одинаковые тонкие металлические

пластины, прижатые друг к другу плоскостями, внести в однородное поле E& конденсатора (см. рисунок) так чтобы вектор нормали к пластинам совпал с вектором

E& , -на боковых плоскостях составной пластины возникнут индуцированные заряды, причем поверхностная плотность зарядов σ определяется соотношением

σ = ± 4Eπ

(Заметим, что суммарный заряд составной пластины равен нулю.)

Схема измерения величины индуцированного заряда: 1 - источник питания с высоким выходным сопротивлением; 2 - пластины конденсатора 3 - измерительные пластины; 4 - изолирующие ручки; 5 - статический вольтметр; 6 - входные клеммы вольтметра

Если теперь развести тонкие пластины на небольшое расстояние так, чтобы они не соприкасались, и затем вынести из поля E& , - на каждой пластине останется заряд

Q =σS

где S - площадь пластины. Величину этого заряда можно измерить, если прикоснуться внесенными из поля пластиками к клеммам электростатического вольтметра и измерить напряжение U. Очевидно, что

U = CВ Q+CП

где Св и Сп - емкость вольтметра и пластин соответственно.

Емкость можно измерить, проведя дополнительно опыт с известной емкостью Ск, присоединенной ко входу вольтметра. Измеряя

можно найти Q и Св+Сп.

Следует отметить, что предложенный в работе метод определения величины наведенного заряда может быть использован для измерения напряженности электростатического поля.

Указания и рекомендации

1. Используемые в работе пластины укреплены на изолирующих ручках. Ручки должны быть чистыми, ибо при загрязнениях изолирующие свойства ручек неконтролируемым образом ухудшаются, что искажает экспериментальные результаты.

2.Для удаления случайным образом образовавшегося заряда на пластинах и ручках, перед проведением эксперимента, их следует протереть заземленным проводящим материалом.

3.Присоединяемые к клеммам вольтметра пластины имеют собственную и взаимную емкость, зависящую от расположения пластин при прикосновении к клеммам вольтметра. Учитывайте это обстоятельство при проведении эксперимента.

4.Для уменьшения электростатических наводок следует поместить вольтметр в экранирующую металлическую коробку.

Задания

1. Проведите измерения и нанесите на график зависимость поверхностной плотности заряда, индуцированного да пластине, от напряженности поля в конденсаторе.

2. Оцените погрешности эксперимента; укажите пути их минимизации.

Контрольные вопросы

1. Предложите схему эксперимента для измерения ε - диэлектрика с помощью использованной в данной работе методики.

2.Если внести в поле конденсатора жалеет отческий шар, поле перестанет быть однородным. Оцените возможность измерения индуцированного дипольного момента шара с помощью использованной в работе методики. Как следовало б» изменить площадь и форму пластин, вносимых в поле для измерения дипольного момента шара?

3.Перечислите известные Вам и придумайте новые методы измерения напряженности электростатического поля.

4.Как влияет контактная разность потенциалов на точность измерений?

См. библиографический список:/1/; /3/.

Интернет версия подготовлена на основе издания: Описание лабораторных работ. Часть3. Электричество и магнетизм. Новосибирск: Изд-во, НГУ, 1988

Физический факультет НГУ,1999

Лаборатория электричества и магнетизма НГУ,1999, http://www.phys.nsu.ru/electricity/