1. Методика исследования.

Экспериментально измерение потенциалов оказывается проще, чем измерение напряженностей поля, так как большинство приборов, пригодных для изучения полей, измеряет разность потенциалов. Силовые линии строятся потом как ортогональные линии к экспериментально найденным эквипотенциальным поверхностям. В данной работе изучаются электростатические поля, что означает неизменность величины векторов напряженностей во времени.

Для построения поверхностей равного потенциала используется метод Зондов: в исследуемую точку вводится специальный электрод – Зонд, устроенный так, чтобы исключить какое-либо существенное искажение изучаемого поля. Трудности электростатических измерений обходятся искусственным воспроизведением электростатических полей в проводящих средах, по которым пропускается постоянный электрический ток. Прямое изучение поля заменяется исследованием его не точной, но более удобной модели. Измерение же распределения потенциалов в проводящей среде, по которой течет постоянный ток – сравнительно легкая экспериментальная задача.

Известно, что в однородном проводнике при прохождении постоянного тока нет объемных зарядов: это значит, что поля, создаваемые исследуемыми электродами, тождественны полю, создаваемому ими в отсутствие проводника, т.е. в вакууме или в инертной среде. Итак, изучение электростатического поля между системой заряженных проводников можно заменить изучением электростатического поля постоянного тока между той же системой проводников, если потенциалы проводников поддерживаются постоянными.

2. Экспериментальная установка.

Рис. 3

Экспериментальная установка (для изучения поля, создаваемого плоскими электродами) представлена на рис. 3. В ванну D, изготовленную из электроизоляционного материала, помещаются электроды А и В. В ванну наливается электролит с электропроводностью, намного меньшей электропроводности металла. В качестве такового может быть использована обыкновенная водопроводная вода. С концов потенциометра R, включенного на выходе выпрямителя С, на электроды А и В подается напряжение, 6 В с понижающего трансформатора С.

Принцип действия установки заключается в следующем: с помощью движка потенциометра R на нем устанавливается некоторое напряжение. В зависимости от положения Зонда в ванне, включенный последовательно с ним нуль-гальванометр (стрелочный гальванометр, нулевое деление которого расположено посередине шкалы) покажет наличие или отсутствие электрического тока через него. Если потенциал точки поля, где находится зонд, равен потенциалу, установленному делителем и измеряемому вольтметром V, тока в цепи гальванометра не будет.

Геометрическое место всех точек поля, для которых в цепи Зонда отсутствует ток (при данном положении движка потенциометра), дает эквипотенциальную поверхность (вернее – сечение ее слоем электролита).

Итак, изучение поля сводится построению системы эквипотенциальных поверхностей для разных значений потенциала на движке потенциометра: от нуля до напряжения, подаваемого на электроды. Подчеркнем, что электрическая цепь Зонда должна обладать большим сопротивлением, чем сопротивление электролита между исследуемой точкой и ближайшим электродом.

Для вычерчивания эквипотенциальных линий можно использовать специальный прибор, называемый пантографом. Схематически он представлен на рис.4.

Рис. 4

К концу рычага 1 прикрепляется вертикальный зонд Z. Зонд вместе с рычагом может перемещаться в горизонтальной плоскости по ванне, в которой создано исследуемое поле. К концу рычага 2 прикреплен вертикальный карандаш К.

Точка 3 пантографа зафиксирована. Нетрудно заметить, что пантограф позволяет повторить на листе бумаги с помощью карандаша все перемещения зонда по ванне. Указанным способом можно получить семейство эквипотенциальных поверхностей. Так как поверхности равного потенциала и силовые линии ортогональны, то получить картину силовых линий легко.