Изучение электростатического поля. методические указания

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К лабораторным занятиям

По дисциплине «Физика I»

Раздел «Электричество»

для студентов технических и технологических

направлений подготовки (специальностей)

Ставрополь

2012 г.

Методические указания составлены для лабораторных работ по разделу «Электричество» дисциплины «Физика I». В них изложены некоторые теоретические вопросы по этому разделу, порядок выполнения лабораторных работ.

Методические указания могут быть использованы как руководство при выполнении лабораторных работ и для самостоятельной работы над разделом.

Составители: И.М.Хабибулин, Хабибулина В.Н.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3.1

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Цель и содержание работы

Построение силовых линий и эквипотенциальных поверхностей электрического поля созданного электродами различной формы.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Электрические заряды взаимодействуют между собой посредством электрического поля, которое представляет собой особую форму материи. В случае неподвижных зарядов поле называют электростатическим.

Электрическое поле характеризуется в каждой своей точке двумя характеристиками: силовой – вектором электрической напряженности и энергетической (скалярной) – потенциалом .

Напряженностью электрического поля в данной точке называется векторная величина, числено равная и совпадающая по направлению с силой , действующей со стороны поля на единичный положительный заряд q₀, помещенный в рассматриваемую точку поля:

.

Принято считать, что вектор напряженности направлен от положительного заряда (рис. 3.1.1–а) и к отрицательному заряду (рис. 3.1.1–б).

Если электрическое поле создано системой зарядов, т.е. существует несколько полей, то вектор напряженности результирующего поля равен геометрической сумме напряженностей полей, созданных в данной точке каждым из зарядов в отдельности:

= + + + ... + .

Это соотношение носит название принципа суперпозиции электрических полей. С его помощью можно в общем виде рассчитать электрические поля сколь угодно сложных систем электрических зарядов.

Таким образом, для описания электрического поля нужно задать вектор напряженности в каждой точке поля. Сделать это можно аналитически или графически, используя силовые линии. Силовой линией, или линией вектора напряженности электрического поля, называют линию, для которой направление касательной в любой точке совпадает с направлением вектора напряженности поля (рис. 3.2).

Густота силовых линий, проходящих через единицу поверхности перпендикулярной к силовым линиям, пропорциональна величине напряженности поля в данном месте. Изображения силовых линий поля (карта поля), наглядно показывают, чему равна напряженность в разных частях поля и как она изменяется в пространстве. Вследствие наглядности этот способ представления полей широко применяется в электротехнике.

Потенциалом электростатического поля в данной точке называется скалярная величина, числено равная отношению потенциальной энергии W положительного заряда к величине заряда q₀ , помещенного в эту точку поля:

,

т.е. потенциал не зависит от величины пробного заряда q₀и характеризует свойства поля в данной его точке.

Связь между напряженностью поля и потенциалом выражается как:

= – ,

т.е. напряженность поля это быстрота изменения потенциала по координате dr или в общем виде:

= – ,

знак ”минус” означает, что вектор напряженности электрического поля направлен в сторону убывания потенциала .

Объединяя в электрическом поле точки, обладающие одинаковым потенциалом, мы получаем некоторые поверхности, называемые поверхностями равного потенциала или эквипотенциальными поверхностями. Прочерчивая эквипотенциальные поверхности, соответствующие различным значениям потенциала, мы сразу получаем наглядное представление о том, как изменяется потенциал в данном поле. Так как все точки эквипотенциальной поверхности находятся при одинаковом потенциале, то перемещение заряда вдоль нее не требует работы. Это означает, что сила действующая на заряд, все время перпендикулярна перемещению. Следовательно, силовые линии всегда перпендикулярны к эквипотенциальным поверхностям (рис. 3.1.3). Поэтому, зная эквипотенциальные поверхности, можно построить силовые линии, и наоборот.

Если внести в электростатическое поле (рис. 3.1.4–а) проводник, то в нем произойдет разделение положительных и отрицательных зарядов. Появившиеся в результате разделения заряды называют индуцированными зарядами. Разделение зарядов происходит до тех пор, пока их электрические поля не скомпенсируют внешнее поле. В установившемся состоянии результирующее поле внутри проводника равно нулю ( = 0) и заряды находятся в равновесии.

Согласно теореме Гаусса: поток вектора , сквозь замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов внутри этой поверхности, делённой на :

= .

А так как в проводнике всюду = 0, то поток вектора через любую замкнутую поверхность в проводнике, также равен нулю, т.е., согласно теореме Гаусса, внутри проводника избыточных зарядов нет. Избыточные заряды появляются лишь на поверхности проводника.

Отсутствие поля внутри проводника означает, что потенциал в проводнике одинаков во всех его точках, т.е. любой проводник в электростатическом поле представляет собой эквипотенциальную область и его поверхность является эквипотенциальной. Из этого факта следует, что непосредственно у этой поверхности линии напряженности перпендикулярны этой поверхности (рис. 3.1.4–б).

При внесении в электрическое поле диэлектрика (рис. 3.1.5–а), в нем появятся поверхностные связанные заряды, объёмные же избыточные заряды во всех точках такого диэлектрика будут равны нулю.

Поле связанных зарядов направлено навстречу внешнему полю, поэтому оно ослабляет внешнее поле в раз (рис 3.1.5–б), т.е.

,

где – диэлектрическая проницаемость вещества.

Потенциал в среде: ,

где – потенциал электрического поля при отсутствии диэлектрика.

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

При выполнении лабораторных работ необходимо выполнять основные правила внутреннего распорядка и техники безопасности при работе в лабораториях [5].

К работе на приборах допускаются студенты только после изучения настоящих методических указаний и получения допуска у преподавателя.

Аппаратура, оборудование и материалы

Для построения силовых линий и эквипотенциальных поверхностей электрического поля созданного электродами различной формы используется лабораторная установка (рис. 3.1.6), состоящая из электролитической ванны 5, электродов различной формы 1, 2, блока питания 4, цифрового вольтметра 6.

Методика и порядок выполнения работы

Проверив исправность соединения электродов 1 и 2 с блоком питания 4 и исправность соединения электрода 1 и подвижного электрода (зонда) 3 с клеммами 9 вольтметра, включить установку тумблером 8. Блок питания 4 системы электродов, находящихся в электролитической ванне 5, создаёт электрическое поле между электродами. Подвижный электрод 3, соединенный с цифровым вольтметром 6, служит для нахождения точек одинакового потенциала в электростатическом поле создаваемом электродами 1 и 2.

Перемещая зонд, необходимо зафиксировать и нанести на свою масштабную сетку 8–10 точек для каждого из требуемых потенциалов, исходя из положения зонда на масштабной сетке в электролитической ванне, выбирая 5 – 7 значений потенциала таким образом, чтобы эквипотенциальные поверхности охватывали всю площадь ванны.

На своей масштабной сетке, соединив точки с равными потенциалами, провести эквипотенциальные линии и силовые линии электрического поля.

Для изучения электрического поля в присутствии проводящих и непроводящих поверхностей, поместить кольцо 7 (металлическое или из диэлектрика) и определить положения эквипотенциальных поверхностей.

Содержание отчета и его форма

Отчет по лабораторной работе оформляется в соответствии c формой, приведенной в приложении 1.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Какие поля называются электростатическими?

Сформулируйте и докажите теорему Остроградского – Гаусса.

Каковы основные характеристики электростатического поля?

Каково условие потенциальности силового поля?

Докажите, что электростатическое поле является потенциальным.

Какова связь между потенциалом и напряженностью электростатического поля?

Как направлены линии напряженности к поверхности электродов и металлического кольца?

Каким образом влияет материал кольца на карту поля?

Список рекомендуемой литературы

[1] – [5]