Описание экспериментальной установки

Схема экспериментальной установки, предназначенной для изучения электрического поля, представлена на рис. 2.

Плоская электролитическая ванна прямоугольной формы, на дне которой нанесена масштабная сетка, заполняется тонким слоем (3-5 мм) воды. Слабая проводимость воды обусловлена растворенными в ней солями, содержащимися в ничтожных количествах. В электролит опущены электроды 1 и 2, моделирующие систему двух проводников, электростатическое поле которых подлежит исследованию.

Рис. 2

Схема, приведенная на рис. 2, соответствует ситуации, когда изучается поле, создаваемое небольшим металлическим шариком и плоской пластиной. На электроды подается переменное напряжение от генератора сигналов звуковой частоты. Зонды 3 и 4 в процессе работы вносятся в выбранные точки поля. Специальный держатель зонда 4 обеспечивает его перемещение вдоль оси симметрии электрического поля. Зонды подключаются к осциллографу С1-73, с помощью которого измеряется амплитуда напряжения между точками поля при заданной амплитуде напряжения на электродах 1 и 2. Чувствительность вертикального входа осциллографа (в В/дел.) изменяется каскадным делителем напряжения. Его рукоятка установлена в верхней части передней панели осциллографа слева от экрана. С правой стороны экрана установлен переключатель калиброванной горизонтальной развертки электронного луча. Каждому положению этого переключателя соответствует определенное время пробега лучом одного деления горизонтальной шкалы. Соответствующий параметр (в мс/дел., мкс/дел.) считывается по круговой шкале переключателя разверток напротив его указателя. Получение неподвижной картины на экране осциллографа достигается поворотом рукоятки «стабильн.», расположенной на передней панели осциллографа ниже экрана.

Измерения и обработка результатов

Упражнение 1. Изучение электростатического поля проводящего шарика и плоской пластины.

Заготовьте лист разлинованной бумаги со шкалой, аналогичной шкале, нанесенной на дне электролитической ванны. Соберите установку по схеме, приведенной на рис. 2. Электрод 2 установите на расстоянии 7 – 10 см от плоского электрода. Установите ванну горизонтально для обеспечения одинаковой толщины слоя воды. На выходе генератора сигналов установите напряжение с амплитудой 10-12 В и частотой колебаний порядка 100 Гц. Зонд 3 соедините с плоским электродом. В дальнейшем потенциал этого электрода будем полагать равным нулю. Перемещая второй зонд вдоль линии симметрии электрического поля, найдите на ней точки, в которых амплитуда потенциала составляет 2, 4, 6, 8 и 10 В. Отметьте эти точки на координатной сетке в рабочей тетради.

Для того, чтобы найти форму эквипотенциальных линий, соответствующих каждому значению φ, установите зонд 4 в точку с выбранным потенциалом; другой зонд перемещайте по координатной плоскости слева или справа от линии симметрии и найдите на ней не менее 8-10 точек, в которых потенциал имеет ту же величину (амплитуда регистрируемого осциллографом напряжения в этих условиях равна нулю). Исследование проведите не только между электродами, но и в области справа от электрода 2. Найденные точки нанесите на координатную сетку в рабочей тетради. Точки с одинаковыми потенциалами соедините непрерывной линией. Постройте также эквипотенциальные линии по другую сторону от оси симметрии поля. Около каждой линии напишите значение потенциала, которому она соответствует. Пунктирными линиями изобразите линии напряженности электрического поля, принимая во внимание, что они перпендикулярны к эквипотенциальным линиям. Укажите направление силовых линий.

Используя построенные эквипотенциальные линии и соотношение между напряженностью поля и потенциалом , рассчитайте модуль напряженности в 3 произвольных точках.

Упражнение 2. Изучение влияния проводника на однородное электростатическое поле.

Схема установки, предназначенной для исследования влияния проводника на электростатическое поле, показана на рис. 3.

Рис. 3

Плоские электроды 1 и 2 подключите к генератору переменного напряжения и установите амплитуду сигнала 10-12 В. При отсутствии проводника электрическое поле, которое возникает в пространстве между электродами, близко к однородному. В этом легко убедиться с помощью зондов 3 и 4: эквипотенциальные линии в этом случае параллельны друг другу и находятся на одинаковом расстоянии друг от друга.

Поместите в электролитическую ванну проводник сложной формы и установите его симметрично относительно линии АВ. Зонд 3 подключите к электроду 1. Перемещая электрод 4 вдоль линии АВ, найдите на ней такие точки, для которых амплитуда напряжения составляет 2, 4, 6, 8 и 10 В. Отметьте положение этих точек на координатной сетке в рабочей тетради. Возле каждой точки напишите значение потенциала, равное амплитуде напряжения. Затем, последовательно устанавливая зонд 4 в найденные точки и перемещая зонд 3, найдите форму соответствующих эквипотенциальных линий. Исследование электрического поля можно провести по одну сторону от линии АВ и, пользуясь соображениями симметрии, построить эквипотенциальные линии для области расположенной по другую сторону от нее.

Исследуйте, имеется ли разность потенциалов между двумя произвольными точками, расположенными в области, ограниченной поверхностью проводника.

Пунктирными линиями изобразите линии напряженности электрического поля. При этом следует принять во внимание, что они перпендикулярны к эквипотенциальным линиям, а вблизи пластин, где поле близко к однородному полю, силовые линии расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Укажите направление силовых линий.

Используя построенные эквипотенциальные линии и соотношение между напряженностью поля и потенциалом, рассчитайте модуль напряженности для 3 точек на линии АВ (в том числе для точки, расположенной в области, ограниченной проводящим телом).