Література
Трофимова Т.А. Курс физики. М.: Высшая школа, 1999.
Савельев И.В. Курс общей физики. -М.: Наука, 1989. §§ 35, 36.
3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. -М: Высшая школа, 1989.
Інструкція складена проф. кафедри фізики Лоскутовим С.В.
Рецензент: доц. кафедри фізики Єршов А.В.
10 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 23
ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОГО ПОЛЯ
НА МОДЕЛІ
Мета роботи: побудувати еквіпотенціальні та силові лінії електростатичного поля та розрахувати його напруженість.
Прилади і обладнання: джерело живлення, потенціометр, панель з електродами та електропровідним папером, зонд, осцилограф.
Теоретична частина
Електростатичне поле створюється нерухомими електричними зарядами і визначається в кожній точці простору силою, що діє на пробний заряд.
Головна характеристика електростатичного поля – його напруженість:
,
(10.1)
де
– сила, яка діє на точковий зарядq,
внесений в дану точку простору.
Енергетичною характеристикою електростатичного поля є електростатичний потенціал U. Він визначається роботою, яку виконує електрична сила при переміщенні одиничного позитивного заряду з даної точки в нескінченність.
Коли заряд переміщується з довільної точки 1 в довільну точку 2, виконана при цьому робота не залежить від траєкторії і визначається тільки різницею потенціалів:
.
(10.2)
Потенціал
є функцією координат
.
Якщо розподіл потенціалу відомий, можна
знайти напруженість:
,
(10.3)
де
оператор grad
в правій частині називається градієнтом.
Він діє на скалярну функцію координат
за
правилом:
,
(10.4)
є
одиничні вектори вздовж осей x, y і z,
відповідно.
Електростатичне поле можна зобразити за допомогою еквіпотенціальних поверхонь (еквіпотенціальних ліній в двохвимірному випадку). Еквіпотенціальна поверхня (лінія) – це геометричне місце точок однакового потенціалу.
Для зображення електростатичного поля можна також використати силові лінії (лінії напруженості). 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 (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 в бік зменшення потенціалу.
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
.
(10.5)
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.