fizika / lab6

Лабораторна робота № 6

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОГО ПОЛЯ

Мета роботи: експериментально дослідити конфігурацію електростатичного поля між металевими електродами.

Прилади та обладнання: джерело постійної напруги, пластина з електродами, вольтметр, гальванометр, потенціометр, металевий зонд, перемикач, з’єднувальні провідники, папір.

.

Теоретичні відомості

Нерухомий заряд створює в навколишньому просторі електростатичне поле, яке проявляється за силовою дією на вміщений у будь-яку точку поля інший заряд.

Електростатичне поле має дві характеристики – силову та енергетичну. Кількісна силова характеристика називається напруженістю . Ця величина векторна і в даній точці поля чисельно дорівнює силі , яка діє з боку поля на одиничний позитивний заряд q₀, внесений в дану точку поля:

. (1)

Електростатичне поле зручно зображувати у вигляді силових ліній. Густота силових ліній характеризує числове значення напруженості , а дотичні до них у кожній точці збігаються з напрямком вектора напруженості.

Силові лінії починаються на додатних зарядах і закінчуються на від’ємних, вони ніде не перетинаються, тому що в кожній точці поля вектор має лише один напрямок.

Енергетичною характеристикою електростатичного поля є потенціал. Ця величина чисельно дорівнює роботі A, яку виконують сили поля при перенесенні одиничного додатного точкового заряду із даної точки поля в нескінченість:

. (2)

Різниця потенціалів (напруга) між двома точками поля визначається роботою по перенесенню одиничного точкового додатного заряду з однієї точки простору в іншу:

. (3)

Геометричне місце точок з однаковим потенціалом називається еквіпотенціальною поверхнею. Лінії напруженості в кожній точці ортогональні до еквіпотенціальних поверхонь. Дійсно, при переміщенні заряду вздовж еквіпотенціальної поверхні робота, яка згідно (3) визначає різницю потенціалів двох точок поля, дорівнює нулю (потенціал не змінюється). З іншого боку за визначенням A = Flcos = 0. Тут переміщення l відбувається вздовж еквіпотенціальної поверхні, а сила спрямована вздовж силової лінії. Обидві ці величини не дорівнюють нулю, таким чином, cos  = 0 і відповідно  = 90⁰.

Зв'язок між напруженістю поля та потенціалом виражається співвідношенням , де є оператор "градієнт", що пов’язує скалярну величину – потенціал з векторною величиною – напруженість електричного поля. Знак "–" вказує на те, що вектор напруженості поля спрямований в бік зменшення потенціалу.

На рис.1 зображений переріз площиною рисунка картини розподілу еквіпотенціальних поверхонь і силових ліній для електростатичного поля двох протилежно заряджених кульок. У цьому випадку за напрямок зміни потенціалу вибираємо напрямок силової лінії, тому .

Рисунок 1

Опис методу

Можна показати, що розподіл поля в непровідному середовищі (вакуум чи повітря) зберігається, якщо положення електродів не змінювати і простір між ними заповнити електролітом. Але дослідження електростатичного поля та його характеристик у провідному середовищі значно простіше, ніж у непровідному. В цьому випадку достатньо виміряти електричні потенціали точок поля, користуючись методом зонда (металевого щупа). Змінюючи потенціал на зонді, можна домогтись того, що сила струму через зонд буде дорівнювати нулю. Це відбувається тоді, коли потенціал в досліджуваній точці поля дорівнює потенціалу на зонді.

У цій роботі досліджується конфігурація електростатичного поля між двома плоскими електродами. Електроліт заміняє зволожений папір.

Електрична схема установки для проведення експерименту показана на рис. 2 . Плоска прямокутна пластина з діелектрика є основним елементом установки. На неї кладуть вологий аркуш паперу і щільно його притискають до електродів.

Від джерела постійного струму на електроди пластини безпосередньо або через потенціометр подають напругу. При цьому між електродами виникає постійне електричне поле з відповідним розподілом потенціалу, який вимірюють методом зонда. Із схеми видно, що металевий зонд з'єднаний через гальванометр з середньою точкою потенціометра. Такий же потенціал можна знайти на папері між електродами. Переміщуючи вздовж пластини металевий зонд, знаходять таке його положення, при якому гальванометр покаже нуль. Тоді потенціал у даній точці пластини дорівнює потенціалу, що його показує вольтметр, тобто відповідна різниця потенціалів дорівнює нулю, і струм через гальванометр не протікає. Повторюючи цю операцію при інших положеннях рухомого контакту реостата, що відповідають різним потенціалам на зонді, можна визначити потенціали всіх точок на зволоженому папері.

Порядок виконання роботи.

1. Зібрати електричну схему (рис. 2) , покласти вологий папір на пластину.

2. За допомогою потенціометра, контролюючи напругу вольтметром, подати на зонд напругу 1 В. З допомогою зонда знайти точку на папері, в якій потенціал дорівнює 1 В (при цьому гальванометр покаже нуль), позначити цю точку.

Змінюючи положення зонда поперек аркушу паперу, знайти інші точки, в яких потенціал також дорівнює 1В. З'єднавши всі точки з однаковим потенціалом 1В лінією, одержимо еквіпотенціальну криву. Контури електроду також є лініями рівного потенціалу.

Рисунок 2

3. Аналогічним методом знайти точки з потенціалом 2 В, 3 В, 4 В і так далі в межах досліджуваного поля. Для цих потенціалів побудувати еквіпотенціальні лінії.

4. Побудувати лінії напруженості електричного поля (силові лінії) від одного електрода до другого, використавши одержані еквіпотенціальні лінії.

5. За вказівкою викладача обчислити середню напруженість електричного поля у двох-трьох точках, використовуючи формулу , де l – відстань між двома сусідніми еквіпотенціальними лініями, виміряна вздовж силової лінії (див. рис.1).