Описание экспериментальной установки

При проектировании некоторых приборов необходимо знать электрическое поле, заключенное между электродами сложной формы. Сложные электростатические поля исследуются экспериментально, методом моделирования этих полей в проводящих средах.

Если пространство между электродами произвольной формы заполнить слабо проводящей средой, то между ними, при наличии разности потенциалов, может существовать небольшой электрический ток. Падения напряжения на металлических проводниках и электродах можно считать равными нулю, а их поверхности - эквипотенциальными, т.е. вектор напряженности поля вблизи электродов будет перпендикулярен их поверхностям.

Структура электростатического поля аналогична структуре электрического поля переменного тока низкой частоты, которое экспериментально исследовать удобнее, чем поле неподвижных зарядов. Поэтому в данной работе применяют переменный ток частотой 50 Гц.

Для исследования электрического поля соберем одну из двух установок, схемы которых приведены на рис. 1.4 и 1.5. На рис.1.4. приведена схема прямого метода измерения потенциала стрелочным вольтметром V. Схема простая, но построенная картина эквипотенциальных поверхностей может быть заметно искажена вследствие того, что через измерительный зонд будет течь ток из-за низкого сопротивления измерительной обмотки вольтметра. На рис.1.5. приведена более сложная, но в тоже время гораздо более точная схема мостового метода измерения потенциала j. В этой схеме в момент измерения ток через зонд Z не течет, что не приводит к искажению картины силовых линий.

Рис.1.4. Рис.1.5.

Для измерения прямым методом (рис.1.4.) в прямоугольную ванну W, заполненную водой, помещают металлические электроды Э₁ и Э₂. На клеммы электродов подается небольшое напряжение от трансформатора. Условно считают, что электрод Э₁ имеет нулевой потенциал = 0. Для определения по­тенциала электрода Э₂ и потенциалов промежуточных эквипотенциальных поверхностей, расположенных между электродами в воде, используют вольтметр V (см. рис.1.4), перемещая зонд Z (металлический стержень с заостренным концом).

Эквипотенциальные поверхности можно найти и другим способом (см. рис. 1.5). Параллельно электродам подсоединяют потенциометр. Потенциал подвижного контакта В измеряется при помощи вольтметра V. Точки поля с таким же потенциалом, в ванне находят при помощи зонда Z, добиваясь минимальных показаний нуль-гальванометра или осциллографа.

Если потенциал поля точки, в которой находится зонд Z, равен потенциалу точки В (показанию вольтметра), то в этом случае ток, проходящий через нуль-гальванометр, будет равен нулю, а сигнал на экране осциллографа будет минимальным. Находя ряд точек, потенциал которых соответствует точке В, определяют эквипотенциальную линию.

Порядок выполнения работы

Для фиксации эквипотенциальных линий рекомендуют два метода. Первый - метод координат. На дне ванны имеется координатная сетка, с помощью которой электроды и найденные точки эквипотенциальных поверхностей изображаются на листе бумаги с аналогичной координатной сеткой, выполненной в определенном масштабе.

По второму методу электроды и найденные точки эквипотенциальных поверхностей изображаются (обводятся ручкой или мягким карандашом) непосредственно на листе бумаги, погруженном на дно ванны.

1. Собрать электрическую цепь по схеме рис.1.4 или рис.1.5 (включать только после проверки преподавателем или лаборантом).

2. Заполнить ванну водой (~ 1 см). Установить параллельно друг другу два плоских электрода, предварительно погрузив на дно ванны лист бумаги (если выбран второй метод фиксации точек). Изобразите (обведите) положение электродов.

3. Измерить разность потенциалов Dj_max между электродами Э₁ и Э₂: для схемы рис.1.4 - прикоснуться зондом к электроду Э₂, для схемы рис.1.5 - плавно повернуть до отказа по часовой стрелке ручку потенциометра.

4. Разность потенциалов Dj между соседними эквипотенциальными поверхностями и их число задается преподавателем.

5. Найти и изобразить 10 точек эквипотенциальной поверхности с потенциалом j₁ = Dj: по схеме рис. 1.4 при помощи зонда Z и вольтметра, по схеме рис. 1.5 заданный потенциал устанавливается при помощи потенцио­метра и контролируется вольтметром. Искомые точки эквипотенциальной поверхности по схеме рис. 1.5 определяются перемещением зонда Z через те точки ванны, для которых ток, проходящий через нуль-гальванометр, или сигнал на осциллографе будут минимальными.

Аналогично найдите и изобразите точки эквипотенциальных поверхностей с потенциалами j₂ = 2Dj, j₃ = 3Dj и т.д.

6. Достать из ванны лист бумаги и положить его на просушку, если точки отмечали непосредственно на этом листе на дне ванны. Погрузить на дно ванны новый лист бумаги.

7. При тех же положениях плоских электродов Э₁ и Э₂ поместить посередине между ними металлическое кольцо. Изобразить (обвести) его. Измерить потенциал электрического поля внутри и на поверхности этого кольца в нескольких точках. Измерения проводят аналогично п.3.

Убедиться, что потенциал поля во всех точках внутри кольца и на его поверхности один и тот же - j_к. Найти и изобразить точки поля с таким же потенциалом за пределами кольца.

8. Аналогично п.5 найти и изобразить точки эквипотенциальных поверхностей с потенциалами j_к ± Dj, j_к ± 2Dj, j_к ± 3Dj и т.д., где j_к – потенциал кольца, а Dj - разность потенциалов между соседними эквипотенциальными поверхностями.

9. Достать из ванны лист бумаги и положить его на просушку. Погрузить на дно ванны новый лист бумаги. Установить в ванне кольцевые электроды (или другие по указанию преподавателя). Найти и изобразить точки эквипотенциальных поверхностей аналогично п. 5.