Исследование электростатического поля

Цель:	Нахождение эквипотенциальных поверхностей и построение силовых линий электростатического поля, определение средних значений напряженности поля в заданных точках.
Оборудование:	источник тока, вольтметр, гальванометр, реостат, измерительный зонд, ванночка с электролитом, электроды.

Силовой характеристикой электрического поля является напряженность электрического поля (В/м). Она численно равна силе, действующей на пробный единичный положительный заряд (+1Кл), помещенный в данную точку поля. Направление вектора напряженности электрического поля совпадает с направлением этой силы.

Энергетической характеристикой электрического поля является потенциал j (В). Он численно равен потенциальной энергии единичного положительного заряда (+1 Кл), помещенного в данную точку поля. Потенциальная энергия заряда равна работе сил электрического поля при перемещении этого заряда из данной точки поля в бесконечность.

Напряженность численно равна быстроте изменения потенциала вдоль силовой линии:

Знак «–» указывает на то, что вектор напряженности направлен в сторону, противоположную направлению роста потенциала.

Силовой линией называется воображаемая линия, в каждой точке которой касательная совпадает по направлению с вектором напряженности электрического поля.

Эквипотенциальной поверхностью называется геометрическое место точек, потенциалы которых равны. Силовые линии в любой точке перпендикулярны эквипотенциальной поверхности.

В этой работе электрическое поле исследуется в проводящей среде, в качестве которой выбран лист бумаги 1, смоченный солевым раствором. Этот лист кладут на поверхность стеклянной пластины (см. рис). На лист устанавливают металлические электроды Э₁ и Э₂, отмечая их положение на бумаге. К электродам подключают постоянное напряжение ~ 15 В. В соответствии со схемой установки, электрод Э₁ имеет потенциал j₁ = 0, а электрод Э₂ имеет потенциал j₂ = 15 В. Распределение потенциалов между электродами определяется при помощи зонда 2. Потенциометром R на зонде устанавливается заданный потенциал, значение которого контролируется вольтметром V. Если при установке на бумагу зонд попадает в точку, потенциал которой отличен от его потенциала, то через гальванометр G идет электрический ток. Когда же зонд окажется в точке, потенциал которой совпадает с потенциалом зонда, ток через гальванометр идти не будет. Данная точка отмечается на бумаге. Затем находятся другие точки с таким же потенциалом и соединяются линией, которая является изображением эквипотенциальной поверхности. Под линией указывается ее потенциал. После этого устанавливают потенциометром другой потенциал, отличающийся на 2 — 3 В от прежнего и определяют положение новой эквипотенциальной поверхности.

Построив систему эквипотенциальных поверхностей, проводят силовые линии электрического поля. Силовые линии начинаются и заканчиваются на отмеченных контурах электродов, пересекают эквипотенциальные поверхности под углом 90°.

Порядок выполнения работы

1. Получить допуск у преподавателя и приступить к выполнению работы.

2. Намочить лист бумаги в солевом растворе. Положить его на стеклянную пластину.

3. Расположить электроды согласно конфигурации, заданной преподавателем.

4. Определить системы точек с потенциалами, заданными преподавателем (см. выше).

5. Нарисовать эквипотенциальные поверхности. Указать их потенциалы.

6. Нарисовать силовые линии электрического поля. Указать стрелками их направление.

7. В областях, заданных преподавателем, вычислить среднее значение напряженности электрического поля:

где j₁ и j₂ — потенциалы соседних эквипотенциальных поверхностей; Dl — расстояние между эквипотенциальными поверхностями, взятое вдоль силовой линии.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение напряженности электрического поля, указав единицы измерения напряженности.

2. Дайте определение потенциала электрического поля, указав единицы измерения потенциала.

3. Как связаны между собой напряженность и потенциал электрического поля?

4. Как связана величина напряженности электрического поля с густотой эквипотенциальных поверхностей?

5. Какие потенциалы имеют электроды?

6. Можно ли электроды считать эквипотенциальными поверхностями?

Составители: И.И.Джужук, Н.В.Дорохова, В.П.Сафронов, В.В Шегай