Описание установки

Электростатическое поле характеризуется в каждой точке пространства вектором напряженности Е и потенциалом φ. Учитывая связь между этими величинами (3), согласно которой линии напряженности и эквипотенциальные поверхности взаимно перпендикулярны, для исследования электростатического поля достаточно найти распределение в пространстве одной из этих двух характеристик поля. Так, имея картину линий напряженности поля, можно построить систему эквипотенциальных поверхностей и, наоборот, зная положение поверхностей равного потенциала, можно построить линии напряженности поля. Экспериментально проще изучать распределение потенциала, так как большинство приборов, пригодных для изучения полей, измеряют разности потенциалов, а не напряженности поля.

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. Для электростатических полей, создаваемых неподвижными зарядами в непроводящей среде, передача зонду потенциала той точки поля, в которую он помещен, сама по себе происходить не может. Для ее осуществления необходимо обеспечить стекание (или натекание) электрических зарядов с зонда, что в условиях непроводящей среды невозможно. В этом случае необходимо использовать такие зонды, которые создают местную ионизацию среды, например, плазменные зонды. Однако такое исследование осуществить довольно трудно.

На практике прямое излучение электростатического поля заменяют изучением его на более удобной модели, представляющей собой электрическое поле, создаваемое при прохождении низкочастотного тока в слабо проводящей среде между электродами, форма и взаимное расположение которых такие же, как и в изучаемом электростатическом поле. В этом случае, учитывая, что расстояние между электродами невелико, можно считать, что потенциалы во всех точках исследуемого поля изменяются синхронно и эквипотенциальные поверхности остаются неизменными.

Поскольку в однородной проводящей среде при прохождении по ней низкочастотного тока нет объемных электрических зарядов, поле в пространстве между электродами, к которым приложено напряжение, имеет ту же конфигурацию, какую оно имело бы в непроводящей среде или в вакууме, если электропроводимость проводящей среды много меньше электропроводимости электродов. Поэтому при исследовании электрического поля на описанной выше модели используются металлические электроды, а в качестве зонда – металлический стержень. В проводящей среде заряды будут натекать на зонд, и он примет потенциал той точки поля, в которую помещен.

Имея картину распределения потенциала в изучаемом поле, можно получить (провести) линии напряженности поля, используя связь между напряженностью и потенциалом электростатического поля.

Лабораторная установка, изображенная на рис. 3, представляет собой ванну 1, выполненную из материала с хорошими изоляционными свойствами. В ванну помещают металлические электроды 2, поле между которыми подлежит изучению, и наливают водопроводную воду слоем около 6 мм. Проводимость такого слоя воды порядка – 10^-3 – 10^-2 Ом^-1м^-1, а проводимость материала электродов 2 порядка – 10⁷ Ом^-1м^-1.

Рис. 3

На электроды подается переменное напряжение низкой частоты (50 Гц). Подаваемое напряжение от генератора низкой частоты (ГНЧ) 4 не должно превосходить 3 В. В поле между электродами помещают зонд 3, соединенный с вольтметром переменного напряжения 5. Дно ванны имеет координатную сетку.

Помещая зонд в точки с определенными координатами, с помощью вольтметра 5 определяют потенциалы этих точек относительно одного из электродов.