Исследование электрического поля.

Цель работы: изучение структуры электростатических полей, смоделированных на стенде с проводящей бумагой.

Теория

Известно, что

1) в природе существуют электрические заряды;

2) электрические заряды создают вокруг себя электрическое поле;

3) электрическое поле действует на другие электрические заряды.

Изучением электрических полей неподвижных зарядов занимается электростатика. Основная задача электростатики заключается в том, чтобы по заданному распределению зарядов отыскать основные характеристики того электрического поля, которое они создают.

Характеристиками электрического поля являются напряженность Е и потенциал . Напряженность Е – силовая характеристика электрического поля; векторная величина, определяемая силой F, действующей на положительный пробный заряд в 1Кл.

.

Для расчета работы сил электрического поля вводится понятие разности потенциалов:

_.

Разность потенциалов _1,2 равна работе А_1,2 сил электростатического поля по перемещению единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2:

.

Электростатическое поле можно изображать графически с помощью силовых и эквипотенциальных линий. Силовыми линиями называются линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора Е. На рисунке 1 показана картина некоторых силовых электростатических полей, наблюдаемая в кювете с жидким диэлектриком и манной крупой.

Рис.1.

На рисунке 2 дано графическое изображение полей с помощью силовых и эквипотенциальных линий.

Рис.2.

Эквипотенциальные линии – это линии равного потенциала. Эквипотенциальные и силовые линии нормальны друг другу. Это означает, что касательные к силовой и эквипотенциальной линиям, в точке пересечения этих линий, перпендикулярны друг другу. Действительно, пусть ab – эквипотенциальная линия, а cd – силовая линия; пусть они пересекаются в точке М, тогда работа dА по перемещению на dr заряда q вдоль участка эквипотенциальной линии аb равна нулю:

_{, –}

так как по определению эквипотенциальной линии. С другой стороны эта же работа dA по перемещению этого заряда равна:

_.

Т. к. , то

.

Поскольку движение происходит вдоль эквипотенциально линии, то

и

Из начальных условий известно, что Е  0, q  0 и dr  0, следовательно, должен быть равен нулю! Это возможно в том случае, если Е перпендикулярен dr. Следовательно, касательные в точке пересечения М силовой и эквипотенциальной линий взаимно перпендикулярны.

Эксперимент.

При выполнении данной работы используются:

стенд с электропроводной бумагой, обладающей большим сопротивлением; он имеет ряд гнёзд для подсоединения к нему источника тока и вольтметра;

источник постоянного напряжения U = 0 – 12 В;

вольтметр со шкалой, в середине которой находится «нуль», подсоединяемый к гнёздам стенда с помощью штекеров-щупов 3 и 4.

Схема установки.

При установке штекеров 1 и 2 в любые гнезда стенда, по проводящей бумаге начинает течь слабый ток. Можно показать, что в случае слабых токов движение зарядов совпадает по направлению с силовыми линиями электро­статического поля. Прибора, определяющего направление движения зарядов, нет, зато есть прибор – вольтметр, позволяющий определить разность потенциалов между различными точками электропроводной бумаги при помощи штекеров-щупов 3, 4. Таким образом, если один из штекеров-щупов 3, 4 установлен в любое свободное гнездо 1-12 электропроводной бумаги, то, перемещая другой штекер-щуп по проводящей бумаге и наблюдая за показаниями вольтметра, можно найти точку на поле электропроводной бумаги, в которой разность потенциалов между штекерами-щупами 3, 4 будет равна 0. Это означает, что эти две точки принадлежат к одной эквипотенциальной линии. Задача данной лабораторной работы заключается в том, чтобы найти совокупность точек, определяющих эквипотенциальные линии, начинающиеся от гнезд 5-12.

Порядок выполнения работы.

1. На тетрадном листе изобразить, в масштабе лист электропроводной бумаги с пронумерованными на нем гнездами; для удобства на него нанести координатную сетку. Внимание! На электропроводной бумаге ничего не рисовать.

2. Установить штекеры 1, 2 от источника питания в гнезда 1, 2.

3. Установить штекер-щуп 3 в гнездо 5.

4. Перемещать штекер-щуп 4 по поверхности электропроводной бумаги вблизи гнезда 5 (без продавливания бумаги!). Наблюдая за показаниями вольтметра, найти точку, в которой стрелка вольтметра устанавливается на «нуль». Это означает, что потенциал найденной точки будет равен потенциалу точки, в которой установлен штекер-щуп 3. Убедиться, что при перемещении штекера-щупа 4 вблизи найденной точки стрелка вольтметра отклоняется то вправо, то влево. Отметить найденную точку на чертеже.

5. Перемещаясь по координатной сетке в пределах близлежащих квадрантов найти следующую точку, где показания вольтметра будут равны «нулю».

6. Найти не менее 8 точек, принадлежащих к одной эквипотенциальной линии и соединить их плавной кривой.

7. Переместить щуп 3 из гнезда 5 в гнездо 6 и повторить пункты 4-6.

8. Повторить все вышеуказанные пункты для гнезд 7-12.

9. Переместить штекер от источника питания из гнезда 2 в гнездо 4, тем самым, изменяя конфигурацию исследуемого моля.

10. Повторить работу для вновь исследуемого поля.

11. Переместить штекер от источника питания из гнезда 4 в гнездо, ука­занное преподавателем, и повторить предыдущие задания.

15. На трех полученных чертежах в рабочей тетради наносят совокуп­ность силовых линий, учитывая, что силовые линии нормальны к эквипотенциальным (т. е. в точке пересечения эквипотенциальных и силовых линий их касательные взаимно перпендикулярны).

Контрольные вопросы.

1. Напряженность и потенциал электрического поля..

2. Связь между напряженностью и потенциалом.

3. Теорема Остроградского-Гаусса.

4. Силовые и эквипотенциальные линии и их ортогональность.