- II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Описание экспериментальной установки Моделирование электростатических полей
- Описание схемы экспериментальной установки
- Подготовка к работе на экспериментальной установке
- Задание 1 Экспериментальное нахождение эквипотенциальных линий
- Задание 2 Приближенное построение линий напряженности на картине электростатического поля
- Задание 3 Определение некоторых физических величин по полученной картине неоднородного электростатического поля
- Савельев, И.В.
- Волков, В.Н
лаба 2.1 эксперимент. Есть вектор, направленный в сторону максимально быстрого возрастания потенциала
 Скачать 304 Kb.
|
|
Градиент потенциала  есть вектор, направленный всторону максимально быстрого возрастания потенциала  . Это направление указывается единичным вектором  . Модуль градиента  показывает быстроту изменения потенциала в этом направлении.Знак минус в (17) и (18) говорит о том, что вектор  и вектор  направлены в противоположные стороны: вектор – в сторону максимально быстрого убывания потенциала j вдоль силовой линии, а вектор – в сторону максимально быстрого увеличения потенциала (рис. 8).Правую часть формулы (18) можно записать через составляющие вектора : , (19)где  . На рис. 9 изображено однородное электростатическое поле, образованное однородно и разноименно заряженными параллельными плоскостями, во всех точках которого напряженность одинакова.Для однородного поля связь (16) записывается проще:  . (20)Формула (20) показывает, что модуль вектора напряженности равен падению потенциала  на единицу длины вдоль линии напряженности. Это выражение делает понятным название единицы напряженности –  .II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Из-за трудности эксперимента при исследовании электростатических полей между заряженными электродами, расположенными в вакууме, с помощью сложных пламенных зондов и сложной электростатической аппаратуры исследование этих полей заменяют более простым и удобным исследованием их моделей. В этих моделях электрические поля заменяют электрическими полями постоянных токов между теми же электродами, что и при изучении электростатических полей, но помещенных в слабо проводящую среду. При этом между электродами течет электрический ток. Если сила тока 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. Определение потенциалов в различных точках электрического поля осуществляется с помощью простейшего зонда, представляющего собой тонкий металлический стержень с диэлектрической рукояткой. На рис.10 изображена схема экспериментальной установки для исследования модели электростатического поля, которая используется в данной лабораторной работе.
1. Данная установка включает в себя только 3 блока лабораторного стенда: «Блок генераторов»; «Блок мультиметров»; «Блок моделирования полей». 2. В связи с изложенным в разделе 1.1 основной частью данной экспериментальной установки является набор слабопроводящих пластин, одна из которых изображена на рис. 10. Пластины покрыты черной слабопроводящей краской, на них закреплены хромированные медные электроды различной формы и нанесена координатная сетка. С оборотной стороны каждой пластины находятся изолированные провода, соединяющие соответственно левый электрод 2 со штырями 2 черных клемм слева, а правый электрод 4 со штырями 2 красных клемм справа, расположенных в углах пластины. С помощью этих клемм, навинчивающихся на штыри, слабопроводящая пластина крепится к плате «Блок моделирования полей» (БМП), на электроды пластины подается электрическое напряжение с контактного черного гнезда 1 и контактного красного гнезда 3, распложенных в нижней части этого «Блок моделирования полей» (рис.11). Гнездо 1 соединено внутри БМП со штырями черных клейм слева, а красное гнездо 3 – со штырями красных клемм справа. Красные гнезда 5 и 3 между собой не соединены. Все соединения гнезд нарисованы линиями прямо на плате БМП, как показано на рис. 11.  Рис. 10. Электрическая схема исследования электростатического поля: 1 – стрелочный вольтметр; 2, 4 – электроды; 3 – зонд; 5 – слабопроводящая пластина; 6 – входы для подключения блока моделирования полей (рис. 11); 7 – блок моделирования полей; 8 – регулируемый источник постоянного напряжения «0...+15 В»  Рис.11. Входы для подключении блока моделирования полей: 1, 3 – входы для подключения регулируемого источника постоянного напряжения «0…+15В»; 2 – вход для подключения зонда (щупа); 4, 5 – входы для подключения стрелочного вольтметра 3. Входные гнезда 1 и 3 БМП подключаются длинными соединительными проводами соответственно к выходным гнездам «Регулируемый источник постоянного напряжения» (РИПН) на плате «Блок генераторов»: черное гнездо 1 БМП – к черному гнезду выхода РИПН, а красное гнездо 3 БМП – к красному гнезду «  » выхода РИПН.Регулирование напряжения у РИПН осуществляется с помощью голубых кнопок установки постоянного напряжения и нарисованных рядом с ними стрелок «вверх» и «вниз». Индикатор постоянного напряжения на выходе РИПН выполнен в виде вытянутого по вертикали прямоугольного окошечка, в котором загорается определенное число горизонтально расположенных полосок – индикаторов: чем больше их загорится, тем больше напряжение на выходе. В случае перегрузки РИПН « » на таблице «ПЕРЕГРУЗКА» «Блок генераторов» загорается красная сигнальная лампочка «».4. В данной установке принято, что левый электрод 2 (рис. 10) имеет потенциал, равный нулю, а правый электрод 4 имеет потенциал, равный напряжению на выходе РИПН « ».5. Для измерения напряжения между электродом 2 с нулевым потенциалом и точкой на слабопроводящей пластине используются стрелочный вольтметр с нулем посередине шкалы, имеющим пределы измерения  , и зонд 3 (рис.10).Вольтметр 1 (рис. 10) расположен в нижней части платы «Блок мультиметров». Рядом с этим вольтметром расположены красное (+) и черное (–) контактные гнезда, к которым внутри блока припаяны провода от клемм вольтметра. В качестве зонда 3 (рис. 10) используется штырь обычного соединительного провода.
1. Соединить соответственно гнезда выхода «Регулируемый источник постоянного напряжения» с красным гнездом 3 и черным гнездом 1 входа «Блок моделирования полей» (рис.11). 2. Соединить красное гнездо вольтметра с красным гнездом 5 БМП, а черное гнездо вольтметра – с черным гнездом 4 БМП (рис.11). 3. Вставить штырь на конце красного провода, идущего от зонда, в красное гнездо 2 БМП (рис.11). 4. На листе миллиметровой бумаги карандашом воспроизвести координатную сетку слабопроводящей пластины и изобразить на ней электроды. На этом листе карандашом будут отмечаться точки, принадлежащие эквипотенциальным линиям. Задание 1 Экспериментальное нахождение эквипотенциальных линий (на примере пластины с круглыми электродами)
При значениях  и  на картине электростатического поля получится 9 эквипотенциальных линий.
В Н И М А Н И Е ! По указанию преподавателя аналогичным образом можно получить графическое изображение полей для других пар электродов, например для круглого и плоского электродов. Задание 2 Приближенное построение линий напряженности на картине электростатического поля (на примере пластины с круглыми электродами)
Задание 3 Определение некоторых физических величин по полученной картине неоднородного электростатического поля (на примере пластины с круглыми электродами)
а) около одного круглого электрода; б) около другого круглого электрода; в) в средней точке между электродами.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
|
эквипотенциальных линий (например, 
ищут на прямой линии, соединяющей центры круглых электродов, с помощью вольтметра и зонда.
, находят вторую точку первой эквипотенциальной линии с 
относительно этого электрода. По этим точкам проводят плавную эквипотенциальную линию. При этом некоторые экспериментальные точки могут не лежать на эквипотенциальной линии, а находиться рядом с ней, но примерно по одинаковому их количеству по обе стороны линии. Нанесенную на план эквипотенциальную линию подписывают сверху надписью «
».
. Точки этой линии отыскиваются так же, как и 
. Потенциал 
имеет сам круглый электрод 4. (Потенциалы измеряются по отношению к электроду 2, который имеет нулевой потенциал.)
, дейст-вующей на помещенный в точку отрицательный точечный заряд 
.
, совершаемые электростатическим полем, по перемещению точечного заряда 
по трем разным произвольным путям из произвольной точки 1 на одной эквипотенциальной линии в произвольную точку 2 на другой эквипотенциальной линии.