государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Технологический институт

Кафедра физики методов контроля и диагностики

ФИЗИКА

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Лабораторный практикум

Тюмень. 2012

УДК 537(075):621.38

Исаков В.В., Исакова Н.П., Чемезова К.С. Физика. Электричество. Лабораторный практикум для студентов технических специальностей. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. – 90 с.

Учебное пособие содержит описание лабораторных работ по электричеству с использованием компьютеризированного лабораторного комплекса «Электричество и магнетизм - физика». Описания работ включают в себя основы теории исследуемых явлений, схемы экспериментальных установок, порядок выполнения эксперимента и обработки экспериментальных результатов.

56 с, илл. 51, табл.11.

Рецензенты: В.А.Михеев, кандидат физ.-мат. наук, доцент, заведующий кафедрой радиофизики Тюменского государственного университета; В.В.Проботюк, кандидат техн. наук, доцент, заведующий кафедрой высшей математики Тюменского государственного нефтегазового университета

Isbn 5-88 © Государственное образовательное

учреждение высшего

профессионального образования

«Тюменский государственный

нефтегазовый университет», 2012

Учебное пособие соответствует рабочим программам курса физики технических ВУЗов и может быть рекомендовано для изучения студентам 1 – 3 курсов.

Предисловие

Подготовка специалистов любого технического профиля требует детального изучения физических закономерностей и, в частности, высококачественной экспериментальной подготовки. Громадный прогресс в области электротехники и электроники в значительной мере связан с успехами физики в области электричества и магнетизма, поэтому современный инженер независимо от специальности должен обладать некоторым минимумом знаний в этой области науки. Кроме того, современный инженер должен уметь применять вычислительную технику для обработки результатов измерений.

Использование компьютеризированного лабораторного комплекса «Электричество и магнетизм - физика» позволяет

• осуществить фронтальный метод проведения лабораторных работ;

• использовать компьютер в качестве виртуального измерительного прибора;

• использовать компьютер для обработки экспериментальных результатов, полученных при выполнении лабораторной работы.

Авторы настоящего пособия сделали попытку изложить теоретический материал в форме, доступной для студентов технического ВУЗа, изучающего курс общей физики на младших курсах, и приблизить выполнение эксперимента к уровню подготовки студентов.

В начале каждой работы дано теоретическое введение, содержащее описание физического явления и выводы основных соотношений, необходимых для проведения эксперимента. В конце каждой работы приведены контрольные вопросы. Для более детального ознакомления с сущностью изучаемых явлений в конце пособия приведены ссылки на рекомендуемую литературу.

Авторы благодарят доктора физ.-мат. наук, профессора, заведующего кафедрой ФМД ТюмГНГУ В.Ф.Новикова и кандидата физ.-мат. наук, доцента кафедры ФМД Э.Г.Невзорову за критические замечания и предложения, высказанные при подготовке рукописи данного пособия.

Описание лабораторной работы №1, №2, №3, №5 выполнены В.В.Исаковым и Н.П.Исаковой, №4 и №6 - К.С.Чемезовой

Учебное пособие соответствует рабочим программам курса физики технических ВУЗов и может быть рекомендовано для изучения студентам 1 – 3 курсов.

Лабораторная работа № 1 Моделирование плоскопараллельного электростатического поля током в проводящем листе

Цель работы: Построить картину силовых линий моделируемого электростатического поля, определить его напряжённость в отдельных точках.

Краткое теоретическое введение

Первые количественные исследования взаимодействия двух заряженных тел были выполнены в 1785 г. французским физиком Ш. Кулоном. Он установил, что два точечных заряда и взаимодействуют в вакууме с силой , пропорциональной величинам зарядов, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и направленной по линии, соединяющей эти заряды (рис.1).

Здесь - коэффициент пропорциональности, - электрическая постоянная .

Отсюда

(1)

Формула (1) описывает взаимодействие двух заряженных тел с размерами, много меньшими по сравнению с расстоянием между ними (такие тела будем называть точечными зарядами) в вакууме.

Откуда берутся силы, действующие на заряды, и каким образом эти силы передаются от одного заряда к другому? Согласно современным представлениям электрические заряды взаимодействуют между собой посредством электрического поля.

Электрическое поле – это особый вид материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между заряженными телами.

Каждое заряженное тело окружено электрическим полем.

Пусть электрическое поле создано точечным зарядом . Поместим на расстоянии от него заряд , который будем называть пробным. На заряд будет действовать сила

. (2)

Если взять заряд и поместить его в ту же точку поля вместо заряда , то на него уже будет действовать сила

. (3)

Сила зависит от величины пробного заряда, а отношение силы, действующей на пробный заряд, в одной и той же точке пространства к величине этого заряда остается величиной постоянной, т.е.

(4)

Эта величина, характеризующая электрическое поле, называется напряженностью электрического поля.

(5)

Напряженность электрического поля – это векторная физическая величина, численно равная силе с которой поле действует на точечный единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля и совпадающая с направлением этой силы.

Напряженность электрического поля – это силовая характеристика поля. Единица измерения напряженности Н/Кл.

Р ассмотрим поле создаваемое несколькими зарядами (рис. 2). Пусть – напряженность поля в точке О, создаваемая зарядом . – напряженность поля в точке О, создаваемая зарядом . Напряженность результирующего поля будет равна сумме векторов и . Т.е. электрические поля подчиняются принципу суперпозиции:

(6)

Ч тобы наглядно представить электрическое поле используют понятие линий напряженности электрического поля (силовых линий).

Линией напряженности электрического поля называется линия, в каждой точке которой касательная совпадает с вектором напряженности (рис. 3).

Чтобы изобразить не только направление, но и величину напряженности поля, силовые линии проводятся с определенной густотой, а именно, чтобы число силовых линий, проходящих через единичную площадку, было пропорционально напряженности электрического поля.

Изображая силовые линии можно получить своеобразные графики или карты поля, которые наглядно показывают, чему равна напряженность в разных частях поля и как она изменяется в пространстве.

Силовые линии электрического поля никогда не пересекаются. Они начинаются на положительных электрических зарядах и кончаются на отрицательных электрических зарядах. Они могут также уходить от положительных электрических зарядов в бесконечность и приходить из бесконечности к отрицательным зарядам.

Н а рис. 4 изображены примеры простейших электрических полей.

Электрическое поле в каждой точке можно характеризовать не только векторной величиной – напряженностью, но и скалярной величиной – потенциалом .

Потенциал электрического поля – это физическая величина, равная отношению потенциальной энергии электрического заряда в электрическом поле к величине этого заряда.

(7)

В системе СИ единицей потенциала является Вольт (В). Потенциал является энергетической характеристикой поля.

Графически электрическое поле можно изображать не только с помощью линий напряженности, но с помощью эквипотенциальных поверхностей – совокупности точек, имеющих одинаковый потенциал. Пересекаясь с плоскостью чертежа, эквипотенциальные поверхности дают эквипотенциальные линии. На рис. 5 показаны эквипотенциальные линии поля точечного заряда. В этом случае эквипотенциальные линии представляют собой концентрические окружности, а эквипотенциальные поверхности – концентрические сферы.

Линии напряженности электрического поля всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

Эквипотенциальных поверхностей можно провести бесчисленное множество, но для наглядного представления электрического поля их проводят таким образом, чтобы разность потенциалов двух любых соседних линий была одна и та же, например 1В. Тогда густота эквипотенциальных л иний наглядно характеризует напряженность поля: там, где эти линии расположены гуще, напряженность поля больше.

Зная расположение эквипотенциальных линий, можно построить линии напряженности или по известному расположению линий напряженности можно построить эквипотенциальные поверхности.

Напряженность и потенциал – различные характеристики одной и той же точки поля. Следовательно, между ними существует однозначная связь. Вектор напряженности численно равен градиенту потенциала и направлен в сторону убывания потенциала.

(8)

Градиент потенциала – это величина, характеризующая быстроту изменения потенциала в направлении силовой линии.

На практике прямое изучение электростатического поля заменяют изучением его на более удобной модели, представляющей собой электрическое поле постоянного во времени тока в проводящей среде между электродами, форма и взаимное расположение которых такие же, как и в изучаемом электростатическом поле.