Книга: Электричество и магнетизм
Расстояние ab является
кратчайшим от точки b до второй эквипотенциальной поверхности. При
перемещении единичного положительного заряда из точки а в b совершается
работа dA, численно равная
dA= Еdr.
Выражая ту же работу через разность
потенциалов, получим:
dA=φ-(φ+d φ) = - dφ.
Сравнивая полученные выражения, найдем
Е= - dφ/dr.
Величина dφ/dr характеризует быстроту изменения
потенциала в направлении нормали n и называется градиентом
потенциала. Градиент потенциала есть величина векторная и обычно
обозначается grad
E= - grad φ.
Поля, для которых выполняется это
соотношение, называются потенциальными или консервативными. Работа
сил такого поля не зависит от формы пути перехода, а зависит от положения
начальной и конечной точек.
Экспериментальная
установка
Установка для изучения картины
электростатического поля состоит из ванны, сделанной из материала с хорошими
электроизолирующими свойствами, наполненной электролитом, проводимость которого
мала, и двух электродов произвольной формы. Изучению подлежит
электростатическое поле, создаваемое этими электродами. Для определения потенциала
в любой точке поля используется метод зонда.
Для измерений используется схема
(рис.2). представляющая собой мост, питаемый переменным током, в котором
реохорд заменяется сопротивлениями межэлектродных промежутков. Здесь Э1 и Э2 -
электроды, устанавливаемые в ванне, a Z - зонд. В качестве индикатора в данной
схеме используется электронная лампа бЕ5С. Для питания моста служит переменный
ток, так как при работе с постоянным током происходит так называемая
поляризация, в результате которой падение потенциала происходит в основном
вблизи электродов, ток через электролит уменьшается, и распределение
потенциала между электродами искажается. Трансформатор Тр, питающий мост,
помещён в одном корпусе с индикатором нуля (схема питания индикатора на рис. 2
не показана). На боковую панель корпуса выведены клеммы 3 В и 3 В, позволяющие
снимать напряжение 12 В, и клеммы для включения индикатора в диагональ моста,
обозначенные буквами С и Д. Напряжение подаётся в другую диагональ моста на
делитель, представляющий собой два последовательно соединённых магазина
сопротивлений R1 и R2 . Изменяя величины сопротивлений R1 и R2, можно получить
различные значения потенциала средней точки делителя напряжения,
соединённой с С. Если зонд Z находится в такой точке поля, потенциал которой равен
потенциалу точки С делителя, то напряжение, подаваемое на управляющую сетку
лампы-индикатора, будет равно нулю. В этот момент на светящемся экране
индикаторной лампы тёмный сектор будет иметь наибольшую величину.
Геометрическое место всех точек поля, для которых потенциал зонда будет равен
заданному потенциалу при данных величинах R1 и R2, образует эквипотенциальную
поверхность в исследуемом поле.
Проведение эксперимента
1.
Соберите цепь,
схема которой приведена на рис. 2.
2.
Приготовьте
координатную сетку (желательно на миллиметровой бумаге). Нарисуйте на ней
контуры и положение электродов.
3.
На магазинах
сопротивлений включите сопротивления порядка нескольких сотен омов.
4.
Включите
устройство в сеть переменного тока.
5.
Найдите потенциал
в некоторой точке электролитической ванны. Для этого опустите между электродами
зонд Z и, подбирая с помощью магазинов сопротивления R1 и R2 , добейтесь, чтобы
темный сектор в индикаторной лампе был максимальным. Потенциал вычислите по
формуле: , где U - показание
вольтметра. Перемещая зонд в поле между электродами, найдите не менее 10 точек
с таким потенциалом. Найденные точки перенесите на заготовленную координатную
сетку и соедините линией.
6.
Изменяя R1 и R2,
задайте новое значение потенциала , найдите соответствующие ему
эквипотенциальные точки в межэлектродном промежутке и соедините их линией.
Постройте не менее пяти эквипотенциальных линий с интервалом 1-2 В, около
каждой линии напишите значение потенциала, которому она соответствует.
7.
Установите в
ванне электроды другой формы и повторите все измерения для них.
8.
Проведите
пунктиром линии напряженности.
Контрольные вопросы
1.
Дать понятие
электростатического поля и его основных характеристик.
2.
В чем заключается
принцип суперпозиции полей?
3.
Доказать, что
эквипотенциальные поверхности всегда перпендикулярны силовым линиям.
4.
В чем заключается
метод электролитических моделей, его преимущество и недостатки.
5.
Какие еще методы
изучения электростатических полей вы знаете.
6.
Почему в схеме,
используемой в работе, пользуются переменным током, а не постоянным.
7.
Нарисовать
силовые линии и эквипотенциальные поверхности, создаваемые точечным зарядом и
бесконечной проводящей плоскостью.
Литература, рекомендуемая к
лабораторной работе:
Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм.- М.: Высшая
школа, 1983.
6.
Калашников С.Г.
Электричество. – М.: Наука, 1977.
7.
Савельев И.В.
Курс общей физики. Т.2, Т. 3. – М.: Наука, 1977.
8.
Телеснин Р.В.,
Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество.-М.: Просвещение, 1970.
9.
Сивухин Д.В.
Общий курс физики. Т.3. Электричество.- М.: Физматлит МФТИ, 2002.
10.
Иродов И.Е.
Электромагнетизм. Основные законы. –М.- С.-П.: Физматлит Невский диалект, 2001
11.
Зильберман Г.Е.
Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 1970.
12.
Парсел Э. Курс
физики Т.2 Электричество и магнетизм –М.: Наука, 1971.
13.
Рублев Ю.В.,
Куценко А.Н., Кортнев А.В. Практикум по электричеству. – М.: Высшая школа,
1971.
14.
Кортнев А.В.,
Рублев Ю.В., Куценко А.Н.. Практикум по физике. – М.: Высшая школа, 1965
.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
ИЗУЧЕНИЕ
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ ИНДУКЦИИ.
Цель работы:
Экспериментальное изучение явления
электростатической индукции.
Идея эксперимента:
Наиболее просто можно проверить
законы электростатической индукции, экспериментируя с проводниками. Если две
одинаковые тонкие металлические пластины, прижатые друг к другу плоскостями,
внести в однородное поле E
конденсатора (рис. 4) так, чтобы вектор нормали к пластинам совпал с вектором
E, на боковых плоскостях составной
пластины возникнут индуцированные заряды. При этом поверхностная плотность
зарядов σ
равна:
, (1)
где ε – диэлектрическая
проницаемость среды между обкладками конденсатора, Еn – нормальная составляющая вектора
напряженности электрического поля.
Если теперь развести тонкие пластины
на небольшое расстояние так, чтобы они не соприкасались, и затем вынести из
поля E, то на каждой пластине останется
заряд
(2)
где S – площадь пластины. Величину
этого заряда можно измерить, если прикоснуться внесенными из поля пластинами к
клеммам электростатического вольтметра и измерить напряжение U. Очевидно, что
(3)
где и - емкость вольтметра и пластин
соответственно.
Проведя дополнительный опыт с
известной емкостью СК, присоединенной ко входу вольтметра, измерим
напряжение U2 равное:
. (4)
Зная U1 и U2, можно найти Q и СВ+СП.
Предложенный в работе метод
определения величины найденного заряда может быть использован для измерения
напряженности электростатического поля. Для измерения U1 и U2 в данной работе используется электростатический
вольтметр (см. ниже)
Теоретическая часть
Проводники во внешнем электрическом поле
Проводниками называются материальные
тела, в которых при наличии электрического поля возникает движение зарядов,
т.е. электрический ток. Закон, связывающий силу тока протекающего по проводнику
с разностью потенциалов, приложенной к его концам, был открыт экспериментально
Г.С. Омом, дифференциальная форма которого имеет вид:
ј=γΕ,
где ј=I/S – плотность
тока, а γ=1/ρ – удельная электрическая проводимость, зависящая от
свойств материала, Е – напряженность электрического поля на концах
проводника. По значению удельной электропроводности γ материалы делят на
три класса: диэлектрики, полупроводники и проводники.
а) диэлектрики - вещества с малой
электрической проводимостью. Идеальный диэлектрик характеризуется отсутствием
проводимости, однако это может осуществиться лишь при 0 К. При температуре,
отличной от 0 К, все материалы обладают определенной проводимостью и, следовательно,
идеальных диэлектриков нет; диэлектриком принято называть материал, удельная
электрическая проводимость которого γ < 10-5 См/м
б) полупроводники имеют удельную
электрическую проводимость
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 |