Электролитическая ванна

Для изучения электрического поля между электродами различной формы используется электролитическая ванна, представляющая собой сосуд, заполненный жидкостью, слабо проводящей электрический ток (электролитом). В жидкость погружаются металлические электроды, между которыми при помощи источника ЭДС поддерживается заданная разность потенциалов. При этом в жидкости между электродами возникает электрический ток, представляющий собой направленное движение ионов под действием электрического поля, созданного между электродами.

Электрическое поле в проводнике, по которому течет ток, отличается от поля в проводнике, по которому ток не течет. Если заряды в проводнике неподвижны, то все точки проводника имеют одинаковый потенциал. Если заряды движутся, то в направлении их движения в проводнике существует изменение потенциала, которое согласно закону Ома пропорционально сопротивлению проводника. Поскольку сопротивление металлических электродов очень мало по сравнению с сопротивлением электролита, то в них изменение потенциала незначительно и можно считать, что потенциал каждого электрода одинаков во всех его точках, т.е. поверхности электродов в ванне являются эквипотенциальными.

Проводник, по которому течет ток (в нашем случае электролит), электрически нейтрален – число положительных и отрицательных ионов в любом объеме (достаточно большом по сравнению с объемом самих ионов) электролита одинаково. Поэтому заряды, движущиеся в электролите, не создают электрического поля, и поле между электродами целиком определяется зарядами самих электродов. Поэтому между электродами в электролитической ванне, когда по ней течет ток, существует электрическое поле точно такое же, какое было бы между этими электродами, помещенными в вакуум и заряженными до такой же разности потенциалов.

Таким образом, задача о нахождении электростатического поля между заряженными электродами в пустоте сводится к задаче о нахождении электрического поля, возникающего в электролитической ванне при протекании в ней электрического тока.. При этом сначала можно найти потенциал каждой точки пространства, заполненного электролитом, а затем вычислить значение напряженности электрического поля.

Введение в проводящую среду (в которой поле тока воспроизводит электростатическое поле) диэлектрических тел может изменить конфигурацию поля. Поле тока в таком случае изменится в соответствии со значением проводимости введенного тела, а не его диэлектрической проницаемости.

Описание лабораторной установки

П ринципиальная схема установки, с помощью которой выполняется данная лабораторная работа, показана на рис.4.

Основной ее частью является электролитическая ванна (В), с помещенными в нее металлическими электродами (А, Б), между которыми предстоит изучить структуру поля. Ванна заливается водой, являющейся электролитом, проводимость которого мала по сравнению с проводимостью металла. Электроды опираются на дно ванны и должны немного возвышаться над уровнем электролита.

В измерительную часть схемы кроме зонда Z входят нуль-гальванометр Г, вольтметр V и реостат R, который включен в цепь как делитель напряжения. Принцип работы измерительной части схемы состоит в следующем.

Перемещением движка на делителе напряжения R придаем разные значения потенциала зонда Z относительно электродов А и Б. Наличие или отсутствие тока в цепи гальванометра зависит от того в какой точке поля находится зонд. Если он находится в точке, потенциал которой равен потенциалу на делителе напряжения, то в цепи зонда и гальванометра тока не будет.

Совокупность всех точек поля, для которых ток в цепи зонда равен нулю (при данном положении движка на делителе напряжения !), образуют эквипотенциальную линию в исследуемом поле. Для измерения потенциала этой линии служит вольтметр V, включенный между движком и одним из электродов.

И зучение существующего в электролитической ванне электрического поля сводится к следующему. Движком на делителе напряжения зонду сообщают различные значения потенциала, для каждого из которых, перемещая зонд в ванне, находят точки, соответствующие эквипотенциальной линии исследуемого поля , т.е. точки, для которых ток через гальванометр равен нулю.

Графическое изображение эквипотенциальных линий на бумаге делается с помощью специального устройства – пантографа (рис.5). К концу рычага 1 пантографа прикрепляется вертикальный зонд Z, который может перемещаться в горизонтальной плоскости по электролитической ванне (показана пунктиром слева). Нижний конец зонда погружен в электролит, а верхний соединен с гальванометром. К концу рычага 2 пантографа вертикально прикреплен карандаш К, который перемещается по горизонтально расположенному листу бумаги (показан пунктиром справа).Система рычагов пантографа устроена так, что все перемещения зонда в ванне автоматически воспроизводятся перемещением карандаша по листу бумаги. Последовательно передвигая зонд и находя эквипотенциальные точки поля, можно получить их положение на бумаге, если каждый раз нажимать на карандаш. Соединяя плавной линией карандашные отметки, соответствующие всем найденным эквипотенциальным точкам, можно воспроизвести на бумаге форму и размеры горизонтального сечения системы эквипотенциальных поверхностей исследуемого поля. При всех действиях лист бумаги должен быть надежно закреплен!

Так как эквипотенциальные поверхности и силовые линии ортогональны, то полученную картину электростатического поля можно дополнить силовыми линиями.