Изучение электростатического поля

Цель работы: определить положение эквипотенциальных поверхностей и силовых линий электростатического поля методом моделирования, рассчитать напряженность поля.

Оборудование: лист металлической фольги с координатной сеткой и электродами, источник питания ВСП-33, мультиметр, зонд.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Электростатическое поле – это форма материи, проявляющая себя в воздействии на электрические заряды. Электростатическое поле создается неподвижными электрическими зарядами. Существует два вида электрически заряженных тел: положительные (недостаток электронов) и отрицательные (избыток электронов).

Силовой характеристикой поля является напряженность. Это вектор, определяемый отношением силы, действующей на малый пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине пробного заряда:

. (1)

Пробный заряд – это положительный заряд небольшой величины, который не искажает своим действием распределения электрических зарядов на телах, создающих поле.

Электростатическое поле для наглядности изображают графически с помощью силовых линий. Это линии, касательные к которым совпадают с векторами напряженности. Силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных либо уходят в бесконечность. Например, поле двух разноименных зарядов на рис.1 (сплошные линии).

Энергетической характеристикой электростатического поля является потенциал. Он равен отношению потенциальной энергии пробного заряда в некоторой точке поля к величине этого заряда:

. (2)

Совокупность точек пространства с одинаковым потенциалом образует эквипотенциальную поверхность. С помощью эквипотенциальных поверхностей также изображают электростатическое поле (рис. 1, пунктир).

Между двумя характеристиками поля, напряженностью и потенциалом существует связь, которую можно установить, определив элементарную работу при перемещении заряда вдоль силовой линии (рис. 2). Работа силы F = q E на пути dl вдоль силовой линии совершается полем за счёт убыли потенциальной энергии взаимодействия: dA = - dW , то есть q E dl = - q dj. Отсюда

. (3)

Напряженность электростатического поля равна быстроте изменения потенциала вдоль силовой линии и направлена в сторону уменьшения потенциала. Производная называется градиентом потенциала.

Силовые линии и эквипотенциальные поверхности электростатического поля ортогональны, то есть их касательные взаимно перпендикулярны. Доказать это можно, определив работу поля по перемещению заряда по эквипотенциальной поверхности . Так как при перемещении заряда вдоль эквипотенциальной поверхности dj = 0, то cosa = 0, то есть угол между вектором напряженности и касательной к эквипотенциальной поверхности равен 90 ⁰ (рис. 2).

Изучить электростатическое поле в диэлектрической среде прямым методом измерения потенциалов точек поля практически трудно. Измерительный прибор, соединенный с зондом, закорачивает промежуток пространства между зондом и зарядом и выравнивает их потенциалы. Поэтому применяют метод моделирования электростатического поля, например, полем постоянного электрического тока в слабо проводящей среде. Роль зарядов играют электроды, подсоединенные к источнику постоянного тока. Между электродами возникает электрическое поле и течет электрический ток. Скорость направленного движения электронов сравнительно мала, и они движутся практически вдоль силовых линий, не успев разогнаться и сойти по касательной с силовой линии. Таким образом, линии тока и силовые линии электростатического поля совпадают.

В установке проводящей средой является лист железной фольги, на котором закреплены электроды и нанесена координатная сетка (рис. 3). Сечения эквипотенциальных поверхностей листом фольги являются эквипотенциальными линиями. Зонд, касающийся некоторой точки листа фольги, приобретает потенциал точки касания. Этот потенциал измеряется мультиметром, у которого входное сопротивление значительно больше сопротивления листа фольги между зондом и электродом, поэтому касание зондом почти не меняет силу тока в листе и потенциал точки касания.