ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ. Цель:Усвоение законов электростатики, взаимодействия электрического поля с

Цель:Усвоение законов электростатики, взаимодействия электрического поля с веществом, понятий о диэлектрической проницаемости, поляризации диэлектриков.

Задача: Построить силовые поля электростатического поля

Введение.Как известно, электростатическое поле характеризуется в каждой точке пространства значением вектора напряженности поля Еи значением электростатического потенциала. Направление вектора напряженности и распределение потенциалов в поле можно сделать особенно наглядным, пользуясь понятиями о силовых линиях и о поверхностях равного потенциала, так называемых эквипотенциальных поверхностях.

Рис.1 Графическое отображение силовых линий электростатического поля :

слева – разноименные заряды,

справа − одноименные заряды

Силовые линии всегда нормальны к эквипотенциальнымповерхностям Так, например, силовые линии нормальны к поверхностям проводников, находящихся в электростатическом поле. Проводники имеют одно и то же значение потенциала во всем своем объеме.

Рис.2. Графическое отображение эквипотенциальных поверхностей электростатического поля:

слева – разноименные заряды,

права − одноименные заряды

Теоретически, как правило, легче вести расчет потенциалов, чем напряженностей поля, так как первые есть величины скалярные, а вторые – векторные. Экспериментально измерения потенциалов также оказываются проще, чем измерения напряженностей поля, так как большинство приборов пригодных для изучения полей, измеряют разности потенциалов, а не напряженности поля.

В начале определяются точки, в которых потенциалы равны между собой (см. рис.3 а). Соединяя эти точки линиями, строят графическое отображение эквипотенциальных поверхностей (рис.3 б). Только затем строятся силовые линии изучаемых полей как ортогональные кривые к экспериментально найденным поверхностям равного потенциала (рис.3 в и 3г). В каждой найденной точке эквипотенциальной поверхности строится перпендикуляр к линии, изображающей поверхность − нормаль, вдоль которого направлен вектор напряженности. Вдоль нормалей строим силовые линии поля.

В основу изучения распространения потенциалов в электростатическом поле часто кладется так называемый метод зондов. Его сущность заключается в следующем: в исследуемую точку поля вводится специальный дополнительный электрод – зонд, по возможности так устроенный, чтобы он минимально нарушал своим присутствием исследуемое поле. Этот зонд соединяется проводником с прибором, измеряющим приобретенный зондом потенциал по отношению к какой-нибудь избранной за начало отсчета точке поля. При этом необходимо обеспечить такие условия, чтобы этот зонд принял потенциал этой точки поля, в которую он помещен. Осуществление изучения электростатического поля методом зонда будет ясно из объяснения устройства, применяемого в данной работе.

Сложности работы с зондом и вообще трудности электростатических измерений привели к разработке особого метода – изучения электростатических полей путем искусственного воспроизведения их структуры в проводящих средах, по которым пропускается постоянный ток. Таким путем прямое изучение электростатического поля заменяется изучением его не точной, но более удобной модели. Оказывается, что при некоторых условиях распределение потенциалов в среде, по которой течет ток между установленными в ней электродами, может быть сделано тождественным с распределением потенциалов между теми же электродами, когда между ними имеется электрическое поле в вакууме или однородном диэлектрике. Измерения же распределения потенциалов в проводящей среде, по которой течет постоянный ток, сравнительно легкая экспериментальная задача.

Поясним только, что сказанное простым примером. Пусть имеются две заряженные концентрические металлические сферы, то в разделяющем их шаровом слое существует электростатическое поле, задаваемое зарядом только внутренней сферы. Поверхности равного потенциала в этом случае – концентрические сферы, силовые линии направлены радиально, напряженность поля убывает как 1/R.

Пусть теперь шаровой слой между сферами заполняется однородным проводящим веществом, проводимость которого много меньше электропроводности сфер. Пусть теперь к внешней и внутренним сферам подведены провода от батареи, поддерживающие между сферами ту же разность потенциалов, которая была между сферами в первом случае. В шаровом слое, разумеется, идет постоянный ток.

Таким образом, можно заменить изучение электростатического поля между системой заряженных проводников изучением электростатического поля постоянного тока между той же системой проводников, если потенциалы проводников поддерживаются постоянными, и соотношение проводимостей среды и проводников допускает предположение об эквипотенциальности последних.

Принадлежности:стеклянная подставка, электропроводящая бумага, набор электродов, трансформатор, реохорд, осциллограф.

Описание установки и метода.Лист бумаги равномерно смачивается водой, кладется на стеклянную подставку и разглаживается так, чтобы между бумагой и стеклом не оставалось воздуха. Затем на бумагу кладутся металлические электроды и собирается схема (рис.4). Т-трансформатор на 11В, О – осциллограф применяется в качестве нуль индикатора, Э – электроды, зонд и реохорд в качестве делителя напряжения.

1. Включить осциллограф и трансформатор. Подождать пока осциллограф греется.

Установить на расстоянии 1−1,5 см от одного электрода зонд и, меняя положение ползунка реохорда, установить так, чтобы вертикальная линия на осциллографе имела минимальную высоту, отметить эту точку авторучкой. Затем найти эквипотенциальную поверхность, проходящую через данную точку, т.е. геометрическое место точек, потенциал которых равен потенциалу движка реохорда, каждый раз добиваясь, чтобы высота вертикальной линии на осциллографе была минимальной. Подобным образом снимают картину других эквипотенциальных линий (не менее 10 линий). Обратите внимание на искажение поля у краев электродов.

Выполнить три упражнения:

1. Определение силовых линий поля в пустом конденсаторе

2. Силовые линии поля при помещении

в нее проводника

3. Силовые линии поля при помещении

в нее диэлектрика

Контрольные вопросы:

1. Определения напряжённости поля, линий напряжённости.

2. Закон Кулона

3. Работа в поле заряда

4. Определение однородности поля.

5. Потенциал электрического поля. Эквипотенциальная поверхность.

6. Поле внутри проводника, находящегося во внешнем электрическом поле.

7. Понятие о «жестких» и «мягких» диэлектриках.

8. Поле внутри диэлектрика, находящегося во внешнем электрическом поле. Относительная диэлектрическая проницаемость.

9. Определение вектора поляризации и график зависимости его от напряжённости внешнего электрического поля.

10. Связь между разностью потенциалов и напряжённостью электрического поля.

Литература:

1. Физический практикум. Электричество и оптика. // под ред. В.И. Ивероновой. – М.: Наука, 1965 − С.281−299.

2. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. – М.: Высш. школа, 1991.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. – М., Высшая школа, 2000.