Лабораторная работа №1 изучение электростатического поля

Цель работы: Исследование электростатического поля, создаваемого электродами, построение эквипотенциальных поверхностей и силовых линий электростатического поля.

Приборы и оборудование: Ванна с электродами, частично заполненная водой, источник питания, вольтметр, зонд.

Методика и техника эксперимента

Э лектростатическое поле характеризуется в каждой точке пространства вектором напряженности Е и потенциалом φ. Учитывая связь между этими величинами [cм. (1.4)], согласно которой силовые линии и эквипотенциальные поверхности взаимно перпендикулярны, для исследования электростатического поля достаточно найти распределение в пространстве одной из этих двух характеристик поля. Так, имея картину силовых линий поля, можно построить систему эквипотенциальных поверхностей, и, наоборот, зная положение поверхностей равного потенциала, можно построить линии Е поля (рис. 1.1). Экспериментально проще изучать распределение потенциала, т.к. большинство приборов, пригодных для изучения полей, измеряют разности потенциалов, а не напряженности полей.

В основу изучения распределения потенциалов в электростатическом поле положен метод зондов. Сущность этого метода состоит во введении в исследуемую точку поля, создаваемого заряженными проводниками (электродами), специального электрода-зонда, соединенного с прибором, измеряющим приобретенный зондом потенциал относительно какой-либо точки поля, выбранной за начало отсчета потенциала.

Изучение электростатического поля системы неподвижных зарядов связано с большими трудностями, обусловленными необходимостью проведения сложных электрометрических измерений. Поэтому изучение поля системы неподвижных зарядов заменяют изучением стационарного поля постоянного тока, эквивалентного по своей конфигурации электростатическому полю.

Если в однородной проводящей среде создать разность потенциалов между электродами и поддерживать потенциалы электродов постоянными, то в этой среде установится стационарный ток, при прохождении которого в среде не будут образовываться пространственные электрические заряды. Поэтому электрическое поле в каждой точке среды будет таким же, как при отсутствии тока. Таким образом, стационарное электрическое поле тока является эквивалентным электростатическому полю.

Изучение поля стационарного тока дает возможность пользоваться для измерения потенциала не электростатическими, а токоизмерительными приборами, которые более просты и удобны в работе и обладают большей чувствительностью.

Э кспериментальная установка (рис.1.2) представляет собой ванну, выполненную из материала с хорошими электроизоляционными свойствами. В ванну помещают металлические электроды 1, между которыми изучаемое поле, наливаем воду слоем около 5·10^-3 м, которая играет роль электролита.

Так как при подаче на электроды постоянного напряжения происходит их «поляризация», в результате которой уменьшается сила тока через электролит, и изменяется распределение потенциалов изучаемого поля. Измерения следует проводить, используя переменное напряжение низкой частоты (50 Гц). В этом случае, учитывая, что расстояние между электродами невелико, можно считать, что потенциал во всех точках исследуемого поля изменяется синхронно и эквипотенциальные поверхности остаются неизменными. Подаваемое напряжение от источника питания ~6,3 В.

В поле между электродами помещают зонд 2, соединенный с вольтметром переменного напряжения. Дно ванны имеет координатную сетку. Помещая зонд в точки с определенными координатами, с помощью вольтметра РV определяют потенциалы этих точек относительно одного из электродов.