ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Филиал государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

в г. Салавате

( Филиал ГОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате)

Физика

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ МЕТОДОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Лабораторная работа №31

Исполнитель:

студент гр. БАЭ-11-21 Сергеев В.В.

Руководитель:

Ст.преподователь В.Г. Прачкин

Салават 2011

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ МЕТОДОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ

ЦЕЛЬ: построение картины силовых линий и эквипотенциальных поверхно­стей исследуемого электростатического поля, определение напряжен­ности исследуемой точки поля.

ОБОРУДОВАНИЕ: генератор постоянных напряжений, слабопроводящая пла­стина с электродами, зонд, стрелочный вольтметр.

ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Комплекс состоит из блока генераторов напряжений, наборного поля, блока мультиметров, блока моделирования полей, набора миниблоков и набора слабо проводящих пластин с электродами.

Общий вид блока генераторов напряжений показан на рис. 1. Блок состоит из генератора напряжений специальной формы и генератора постоянных напря­жений (регулируемый источник постоянного напряжения и два нерегулируемых источника стабилизированного постоянного напряжения).

Рис.1 Блок генераторов напряжений:

1 – индикатор перегрузки генератора

сигналов специальной формы;

2 – индикатор перегрузки регулируемого источника постоянного напряжения «0…+15В»;

3 – индикатор перегрузки стабилизированного напряжения «+15В»;

4 – индикаторы перегрузки стабилизированного напряжения «-15В»;

5 – индикатор частоты;

6 – индикатор выбранной формы сигнала;

7 – выход синхронизации осциллографа (прямоугольные импульсы «+5В»;

8 – кнопки переключения формы сигнала:

~ -синусоидальная;

- биполярные импульсы «0…+15В»;

- униполярные импульсы «0…+15В»;

9 – выходной сигнал генератора сигналов специальной формы;

10 – кнопки регулировки амплитуды сигнала генератора сигналов специальной формы;

11 – кнопки регулировки частоты от 50Гц до 20000Гц;

12 – регулируемое постоянное напряжение «0…+15В», максимально допустимый ток 0,3А;

13 – нулевой выход (земля);

14 – кнопки установки постоянного напряжения;

15 – индикатор постоянного напряжения на выходе регулируемого источника «0…+15В»

16 – стабилизированное напряжение «+15 В», максимально допустимый ток 0,3А;

17 – нулевой выход (земля);

18 – стабилизированное напряжение «-15В», максимально допустимый ток 0,3А;

19 – кнопка исходной установки блока генераторов:

Выходной сигнал источника постоянного напряжения (12) – 0В; выходной сигнал генератора сигналов специальной формы – синусоидальный, частота 500 Гц, амплитуда выходного сигнала (9)0В;

20 – выключатель питания («сети»).

Генератор сигналов специальной формы (гссф)

Генератор (см. рис.1) предназначен для получения сигнала частотой от 0,05 до 20 кГц различной формы и амплитуды. Генератор может выдавать три вида сигнала: синусоидальный (амплитуда -15…+15 В), биполярные импульсы (амплитуда – 15…+15В, ширина импульса равна половине периода), униполярные импульсы (0… +15 В, ширина импульса равна половине периода). Установку формы сигнала осуществляют кнопками 8. Частоту выходного сигнала (выход 9) регулируют кнопками 11, а амплитуду – кнопками 10. Значение частоты сигнала отображается на индикаторе 5. Для получения стабильного изображения сигнала на осциллографе в генераторе предусмотрены импульсы синхронизации (прямоугольные, заданной частоты, амплитудой +5 В, ширина импульса равна половине периода), которые можно снимать с выхода 7.

Генератор имеете защиту от перегрузки и индикаторы перегрузки 1. В случае срабатывания любого из индикаторов перегрузки необходимо выключить блок и выяснить причину срабатывания: проверить схему, уменьшить регулируемое напряжение.

Источники постоянного напряжения (ипн)

Источники постоянного напряжения (см. рис.1) предназначены для получения стабилизированного постоянного напряжения -15В, +15В (необходимо для работы индикатора тока, вакуумной лампы и датчика Холла), и регулируемого постоянного напряжения 0…+15В, которое регулируют кнопками 14.

Источники имеют защиту от перегрузки и индикаторы перегрузки 2,3,4. В случае срабатывания любого из индикаторов перегрузки необходимо выключить блок и выяснить причину срабатывания: проверить схему, уменьшить регулируемое напряжение.

Введение

Электрический заряд создает в окружающем пространстве поле - особую

форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между

электрическими зарядами. Пространство, в котором есть электрическое поле,

является областью проявления электрических сил. Электростатическое поле в каждой точке характеризуется значениями напряженности и потенциала φ, которые являются силовой и энергетической характеристиками поля в данной точке.

Электрическое поле можно изобразить графически с помощью силовых линий. Силовая линия - это линия, касательная к которой в каждой точке совпа­дает с вектором напряженности электрического поля. Силовые линии не пере­секаются, так как напряженность поля в каждой точке имеет одно определенное направление. Для графического изображения поля можно использовать либо силовые линии, либо эквипотенциальные поверхности. Эквипотенциальной по­верхностью называют геометрическое место точек одинакового потенциала.

Рис.1. Картина эквипотенциальных и

силовых линий

Н а рис. 1 показаны силовые (сплошные) и эквипотенциальные (пунктирные) линии электростатиче­ского поля, созданного заряженной плоскостью и точечным зарядом. Эк­випотенциальные линии изображены в сечении эквипотенциальных поверх­ностей плоскостью чертежа.

Эквипо­тенциальные поверхности проводят с одинаковым шагом ∆φ. Как и силовые линии, они не пересекаются, так как каждой точке поля соответствует только одно значение

Перемещение заряда вдоль эквипотенциальной поверхности не требует совершения работы: А=Q∙∆φ=0,так как ∆φ=0.

С другой стороны, работа силы F на элементарном перемещении dl

A= , (1)

откуда следует, что при F≠0 и dl≠0 величина cosα=0.

Это означает, что действующая на заряд сила перпендикулярна переме­щению вдоль поверхности равного потенциала. Следовательно, силовые линии перпендикулярны любой эквипотенциальной поверхности (рис. 2).

Рис.2. Расположение силовых (сплошная) и эквипотенциальных (пунктирная) линий

Связь потенциала с напряженностью поля в данной точке выражается со­отношением

, (2)

где

. (3)

Градиент функции φ (x,y,z) есть вектор, направленный в сторону максимального возрастания функции, модуль которого равен производной функции φ по тому же направлению:

, (4)

где n – единичная нормаль к эквипотенциальной поверхности.

Таким образом из выражений (2) и (4) следует, что вектор напряженности электрического поля в каждой точке численно равен быстроте изменения потенциала вдоль силовой линии и направлен в сторону убывания потенциала:

. (5)