Описание измерительной установки

Измерительная установка (см. рисунок) включает в себя электролитическую ванну 1, заполненную водой, два электрода 2 и 3, выполненных в виде пластин или тел другой геометрической формы, подсоединенных к источнику переменного напряжения 4, зонд 5, предназначенный для исследования электрического поля, вольтметр 6, регистрирующий напряжение между электродом 2 и зондом 5, а также проводящее тело (например, металлическое кольцо), предназначенное для погружения в электролит (воду) с целью создания в нем неоднородного электрического поля (на рисунке не показано).

Схема измерительной установки

На дне электролитической ванны имеется координатная сетка, позволяющая воспроизвести картину поля в определенном масштабе на чертеже. Зонд 5 устанавливается в произвольную точку ванны вертикально на одну из линий сетки, его координаты отмечаются на чертеже. Потенциал зонда относительно электрода 2 в этой точке определяют с помощью вольтметра. Зонд 5 перемещается между электродами до тех пор, пока не будут найдены несколько (~10) других точек с таким же потенциалом. Координата зонда 5 для каждой из этих точек отмечается на чертеже. Геометрическое место точек, потенциал которых одинаков, дает одну эквипотенциальную поверхность. Потенциал данной эквипотенциальной поверхности, как отмечалось, измеряется относительно электрода 2. Построив несколько эквипотенциальных поверхностей с некоторой одинаковой разностью потенциалов между ними, получим картину поля между электродами. Разность потенциалов между двумя эквипотенциальными поверхностями и известное расстояние между ними позволяют, как показано выше, оценить величину напряженности электрического поля в любой точке между электродами.

Порядок выполнения работы

1. Согласуйте с преподавателем конфигурацию исследуемого поля.

2. Соберите схему согласно рисунку.

3. Налейте в ванну недистиллированную воду. Убедитесь в том, что координатная сетка плотно прилегает к дну ванны.

4. Начертите в определенном масштабе координатную сетку и отметьте на ней положение и форму электродов.

5. Подключите электроды к генератору звуковых частот, либо к генератору переменного напряжения. Установите напряжение U,близкое к максимальному, и частоту F~1200 Гц.

6. Поместите зонд в произвольно выбранную точку электролитической ванны, отметьте эту точку на заготовленном изображении координатной сетки. С помощью вольтметра измерьте потенциал поля в этой точке. Перемещая зонд по ванне, найдите пять-семь точек с таким же значением потенциала. Отметьте эти точки на заготовленном изображении координатной сетки.

Примечание. Точки должны располагаться по всей ширине ванны.

7. Соедините отмеченные точки с одинаковым значением потенциала плавной кривой, получив, таким образом, изображение эквипотенциальной линии.

8. Проведите измерения, аналогичные п. 6, 7, для семи линий с другими значениями потенциала.

Примечание. Картина эквипотенциальных линий должна охватывать всю площадь между электродами.

9. По полученной картине эквипотенциальных линий проведите шесть-семь силовых линий.

Примечание. Линии должны начинаться на одном, а заканчиваться на другом электроде.

10. Пользуясь формулой (10.6) и изображенной картиной поля, оцените величину Е – напряженности электрического поля в нескольких точках ванны, указанных преподавателем.

11. Положите в ванну хорошо проводящее (металлическое) тело (форма и положение этого тела выбирается по указанию преподавателя).

12. Начертите картину поля и оцените его напряженность, повторив п. 6–10. Вблизи тела старайтесь проводить измерения особенно тщательно, располагая эквипотенциальные поверхности через ~1 см друг от друга.

13. Сравните результаты, полученные при отсутствии и при наличии хорошо проводящего тела между электродами.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается цель настоящей работы?

2. Как найти точки с одинаковым значением потенциала?

3. Как определить значение потенциала на эквипотенциальной поверхности, относительно какого тела он определяется?

4. Что такое напряженность и потенциал электростатического поля?

5. Какова связь проекции вектора напряженности на некоторое направление и потенциала?

6. Какова связь вектора напряженности и потенциала?

7. Как по картине эквипотенциальных линий построить картину силовых линий электростатического поля? Докажите, что силовые линии пересекают эквипотенциальные поверхности под прямым углом.

8. Каково взаимное влияние проводящего тела и электростатического поля?

9. Какой угол составляют силовые линии с поверхностью заряженного проводника в непосредственной близости от неё вне проводника?

10. Чему равны напряженность и потенциал внутри заряженного проводника при равновесном распределении его заряда?

11. Где расположен избыточный заряд проводника?

12. Как можно вычислить напряженность и потенциал поля точечного заряда?

13. Как можно вычислить напряженность и потенциал поля, если заряженное тело нельзя считать точечным зарядом?

14. Сформулируйте теорему Гаусса для вектора напряженности электростатического поля в вакууме. Объясните, для чего и как она применяется.

Список литературы

1. Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1974.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1982. – Т. 2
(и последующие издания этого курса).

3. Барановский С.Н., Березиков Д.Д., Погорельский А.М. и др. Механика. Электричество. Магнетизм. – Новосибирск, 1995.

Лабораторная работа № 12