Задание 1. Построение эквипотенциальных и силовых линий, расчет напряженности поля в заданных точках

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»

(ФГБОУ ВПО «МГТУ»)

Кафедра физики

Отчет

По лабораторной работе №21

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ С ПОМОЩЬЮ ЗОНДА

Выполнил __________________

Приняла Мишенева Надежда Игоревна

(Ф.И.О.)/ подпись преподавателя

Дата сдачи отчета ___________

Магнитогорск 2015

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №21. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ С ПОМОЩЬЮ ЗОНДА.

Цель работы:экспериментальное исследование конфигурации электростатического поля на модели; построение силовых и эквипотенциальных линий для заданной формы электродов.

Методика эксперимента

Экспериментальное изучение конфигурации реальных электростатических полей в вакууме представляет значительные трудности. Более простым и удобным является изучение моделей таких полей. В моделях электрические поля заменяют электрическими полями постоянных токов между теми же электродами, что и при изучении электростатических полей, но помещенных в слабо проводящую среду. Если сила тока между электродами будет малой из-за слабой проводимости среды, а потенциалы электродов будут поддерживаться постоянными во времени с помощью источника питания, то конфигурация поля между электродами в модели будет совпадать с конфигурацией электростатического поля между этими же электродами, если бы они были заряженными и находились в вакууме.

В данной лабораторной работе в качестве проводящей среды используется электропроводная бумага, закрепленная на диэлектрическом (непроводящем) планшете. Бумага становится электропроводной, если при её изготовлении в целлюлозу ввести частицы сажи или графита.

Схема экспериментальной установки показана на рис. 1.2.

Электрическое поле создается металлическими электродами, вся поверхность которых контактирует с электропроводной бумагой. Электроды подключены к выводам источника тока, создающего на электродах постоянное напряжение U.

Определение потенциалов в различных точках производится вольтметром с высоким входным сопротивлением. Один вывод вольтметра подключается к любому из электродов, второй – к зонду, представляющим собой тонкий металлический стержень с диэлектрической рукояткой. Перемещая зонд по поверхности проводящей среды, можно определить потенциал в любой ее точке.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Построение эквипотенциальных и силовых линий, расчет напряженности поля в заданных точках

1.1. Начертите строго в масштабе клеточное поле проводящей бумаги и очертания электродов.

1.2. Соберите лабораторную установку по схеме на рис. 1.2. В качестве источника напряжения используйте источник Е1 или регулируемый источник ИП лабораторного стенда. При использовании источника ИП вращением рукоятки «Voltage» установите на нем напряжение, заданное преподавателем. В качестве вольтметра используйте цифровой мультиметр, установленный на предел «20 V».

1.3. Измерьте с помощью мультиметра напряжение между электродами и занесите значение в тетрадь.

1.4. Занесите табл. 1.1 значения потенциалов эквипотенциальных линий (задаются преподавателем).

Таблица 1.1

φ1, В	φ2, В	φ3, В	φ4, В
0,5		1,5

1.5. Используя зонд, найдите на верхней горизонтальной линии планшета точку, соответствующую потенциалу φ₁. Отметьте ее координату на рисунке клеточного поля.

1.6. Перемещая зонд, найдите на каждой горизонтальной линии клеточного поля точки, соответствующие потенциалу φ₁. Координаты всех точек отметьте на рисунке и соедините их плавной кривой – эквипотенциальной линией.

1.7. Повторите пункты 1.5-1.6 для каждого из заданных в табл. 1.1 значений потенциала.

1.8. Постройте не менее пяти силовых линий поля, соблюдая следующие правила:

· линии начинаются на электроде положительной полярности, выходя из него под прямым углом;

· силовые линии не пересекаются друг с другом;

· силовые линии пересекаются с эквипотенциальными линиями под прямым углом;

· силовые линии входят в электрод отрицательной полярности под прямым углом;

· густота силовых линий пропорциональна напряженности поля.

1.9. В точках, отмеченных преподавателем, рассчитайте напряженность поля по формуле:

где Δφ – разность потенциалов в В ближайших к точке эквипотенциальных линий, Δl – расстояние в см вдоль силовой линии от одной эквипотенциальной линии до другой.

Результаты расчетов занесите в табл. 1.2

Таблица 1.2

Точка	Δφ, В	Δl, см	E, В/см
A	0,5	2,0	-0,25
B	0,5	1,2	-0,41667
C	0,5	1,7	-0,29412
D	0,5	1,8	-0,27778

1.10. В расчетных точках постройте вектора напряженности, выбрав соответствующий масштаб. Вектора должны быть направлены по касательной к силовым линиям, на которых они лежат.

1.11. Проанализируйте полученные результаты и сделайте выводы.

Вывод: исследовали электростатическое поле, построили эквипотенциальные силовые линии и рассчитали напряженность поля в заданных точках.