Методичка по физике

ЭЛЕКТОМАГНЕТИЗМ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №21 Исследование электростатического поля с помощью зонда

Методика эксперимента

Электростатическое поле - это поле, создаваемое неподвижными электрическими зарядами.

Исследование такого поля проводится посредством перемещения измерительного зонда в диэлектрической среде, в которой создано это поле.

Однако практически очень трудно создать систему неподвижных зарядов и осуществить электростатические измерения. Это объясняется тем, что реальные диэлектрические среды обладают некоторой электропроводимостью, зависящей от внешних условий. Поэтому используется метод моделирования.

Электростатическое поле в диэлектрической среде подобно полю постоянного тока в проводящей среде при одинаковой конфигурации электродов. Поэтому проводящая среда с током может служить моделью для исследования электростатического поля, если проводимость среды заменить диэлектрической проницаемостью , заданной для моделируемого диэлектрика, а электроды в обоих случаях расположить одинаково.

В лабораторной работе используется плоское стационарное поле тока. В качестве проводящей среды используется электропроводная бумага. Бумага становится электропроводной, если при её изготовлении в целлюлозу ввести частицы сажи или графита.

Схема экспериментальной установки показана на рис.21.1

Электрическое поле создается металлическими электродами, которые укреплены на планшете с электропроводной бумагой и подключены к источнику постоянного тока.

Исследование распределения потенциалов и построение эквипотенциальных линий производится с помощью зонда.

Зонд представляет собой тонкий металлический стержень, изолированный по всей длине, кроме конца. Зонд присоединен к

1

одной из клемм вольтметра, другая клемма вольтметра соединяется с одним из электродов.

Перемещая зонд по электропроводной бумаге, можно найти точки, в которых потенциал одинаков, т. е. вольтметр будет показывать одно и то же напряжение.

2

Рис.21.1

1.Электроды. 2.Источник постоянного напряжения. 3.Вольтметр. 4.Зонд. 5.Электропроводная бумага.

Задание 1.

Построение эквипотенциальных и силовых линий, расчет напряженности поля в заданных точках.

Порядок выполнения работы.

1.Начертите строго в масштабе клеточное поле проводящей бумаги и очертания электродов.

2.Используя зонд, найдите на верхней горизонтальной линии планшета точку, соответствующую определенному потенциалу (значения потенциалов задаются преподавателем).

3.Перемещая зонд, найдите на каждой горизонтальной линии клеточного поля точки, соответствующие данному потенциалу.

2

4.Соединяя полученные точки, проведите эквипотенциальную линию.

5.Аналогично необходимо найти расположение эквипотенциальных линий для точек с другими значениями потенциала.

6.Проведите не менее пяти силовых линии поля. Они направлены от электрода с положительным потенциалом к электроду с отрицательным потенциалом, перпендикулярно к эквипотенциальным линиям и электродам.

7.По заданию преподавателя рассчитайте напряженность электрического поля в точках между двумя эквипотенциальными линиями по формуле:

где

E	l

			,
		l

- разность потенциалов, а

l

(1)

- кратчайшее расстояние

между этими линиями.

8.	Результаты расчетов запишите в таблицу 1 рабочей
тетради.
9.	Проведите из данных точек векторы напряженности
E , выбрав соответствующий масштаб.

Задание 2.

Исследование электростатического поля в заданном направлении.

1.Выберите направление оси х вдоль линии симметрии поля.(«0» оси возьмите на одном из электродов).

2.Нанесите масштаб, и определите положение точек указанных преподавателем на этой оси.

3.Рассчитайте напряженность поля в этих точках –

Ex.

4.Результаты измерений и график занесите в таблицу 2 рабочей тетради

5.Постройте зависимость Е от х.

6.Сделайте выводы по результатам работы.

3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 23 Измерение электродвижущей силы источника тока

Цель работы: ознакомиться с некоторыми методами измерения ЭДС источника тока

Методика эксперимента

Выбор того или иного метода измерения ЭДС источника тока диктуется требуемой точностью измерений и наличием электроизмерительных приборов.

Измерение ЭДС вольтметром.

Самым простым и быстрым ЭДС с помощью вольтметра.

Если к источнику тока с ЭДС цепи потечет ток (рис. 23.1).

является метод определения

подключить вольтметр, то в

,r

			Rv
			Рис.23.1
	Сила тока, согласно закону Ома для замкнутой цепи, равна:
	I		,	(1)
		r
	R
	V
где	RV - сопротивление вольтметра; r - внутреннее сопротивление
источника тока.
	Вольтметр		покажет напряжение	на самом себе, равное
	UV I RV			(2)

Подставив силу тока (1) в (2), получим:

4

U				R
					V
	V		R		r			r
							1
			V
								R
								V
Из (3) видно, что
сопротивлением						RV	r , то

если подобрать

отношение

r / RV

(3)

вольтметр с может быть

достаточно малым и показания вольтметра будут приближаться к ЭДС источника. Погрешность измерения при этом будет определяться практически только точностью вольтметра. Так, если источник тока имеет большое внутреннее сопротивление, то

условию

R	r
V

удовлетворяют электронный и

электростатический вольтметры. Первый имеет сопротивление от сотен тысяч до десятков миллионов Ом, сопротивление второго

RV

. Однако тот и другой вольтметры имеют сравнительно

невысокую точность. Основными недостатками описанного метода являются: 1) необходимость знать заранее хотя бы ориентировочно сопротивление источника тока; 2) недостаточная в некоторых случаях точность измерения.

	1

	Порядок выполнения задания
1.	Подключите вольтметр к источнику тока с ЭДС, равной
(рис. 1). Запишите показания вольтметра, считайте 1 UV .
2.	Измерьте таким же образом ЭДС второго источника 2	, а

также ЭДС двух источников, соединенных параллельно (рис.23.2) между собой.

	1		2

Рис.23.2

последовательно и

1

2

3. Определите по шкале вольтметра его сопротивление класс точности и предел измерения Umax .

RV

,

5

4. Результаты всех измерений занесите в таблицу 1 рабочей тетради.

Измерение ЭДС методом известных сопротивлений

Источник тока включается последовательно с амперметром и магазином сопротивлений, позволяющим вводить в цепь различные сопротивления R (рис.23.3)

			Рис.23.3
Закон Ома для данной цепи будет иметь вид:
I			,	(4)
		r R
R	A

где

R	A

- сопротивление амперметра;

R

- сопротивление магазина;

I - сила тока в цепи.
Выразим		R из (4):
R	1	RA r			(5)
	I
Из (5) видно, что зависимость между			R	и 1/ I	представляет

собой уравнение прямой, значение углового коэффициента которой равно . Поэтому, измерив ряд значений тока при различных сопротивлениях на магазине М и построив график зависимости R от 1/ I (рис.23.4), находят ЭДС источника тока, как угловой коэффициент прямой.

6

R

2 R2

1 R1

0
1/ I1	1/ I2
R0
Рис.23.4

1/ I

Для этого выбирают любые две точки 1 и 2 на графике и,

взяв соответствующие им значения R1 , R2 ,1/ I1 и 1/ I							2 , находят
ЭДС по формуле
		R R					(6)
			2		1
		1/ I	2	1/ I
					1
По графику рис.4 можно определить также внутреннее
сопротивление источника тока						r . Из формулы (5) следует, что при
1/ I 0		R R0			RA r -	это точка пересечения	графика с

осью

R r

. Зная

R0

RA , находят
R	A

(7)

Примечание.

Для определения ЭДС по формуле (6) можно было провести измерение тока только при двух сопротивлениях R1 и

бы

R2 .

Однако это снизит точность результатов. Построение же графика по многим точкам уменьшает ошибку метода.

Недостаток метода: достаточно громоздкий способ расчета.

7

Порядок выполнения задания.

1.Соберите цепь по схеме рис. 23.3. В качестве источника

эт М

сопротивление, чтобы миллиамперметр показывал максимальный ток (но стрелка прибора не должна выходить за пределы шкалы). Измерьте этот ток.

2.Увеличивая сопротивление, произведите еще не менее четырех измерений тока.

3.Определите по шкале миллиамперметра предел измерения

прибора

I	max

, класс точности

и сопротивление

R	A

прибора.

4.Результаты измерений запишете таблицу2 рабочей тетради.

5.Рассчитайте ЭДС неизвестного источника и его внутреннее сопротивление по формулам (6) и (7).

6.Результаты расчетов занесите в таблицу 3 рабочей тетради.

Измерение ЭДС источника методом компенсации

		x
										g
а									d		c
						х
									I
						, r

Рис.23.5

Наиболее точным методом измерения ЭДС является компенсационный метод. Сущность этого метода заключается в том, что измеряемая ЭДС уравновешивается (компенсируется)

8

падением напряжения, которое создается на известном сопротивлении током от постороннего источника. Рассмотрим электрическую схему этого метода (рис.23.5). ЭДС

вспомогательного источника должна быть больше неизвестной
ЭДС х , т.е.	х . Оба источника тока соединены в точке а
одноименными полюсами. Передвигая движок d			реостата ас ,
можно добиться отсутствия тока на участке цепи			а х Rg d , что
фиксируется	показанием	гальванометра	Г (стрелка

устанавливается на ноль). По закону Ома для неоднородного участка цепи

I

x

a

d

,

(8)

R

где I

– сила тока на этом участке; х – ЭДС источника на участке

цепи; a

d

- разность потенциалов на концах участка;

R – его

полное сопротивление.

На нашем участке

I 0 , тогда из (8) следует:

x

d

а

х

(9)

В

этом случае

ЭДС

компенсируется

разностью

потенциалов на сопротивлении

Rx .

Для однородного участка

dRx a

из (8) вытекает:

d

а

IRx

(10)

Из (9) и (10) получим:

х

I Rx

х эталонным источником

эт

(11)

Заменив

источник

, ЭДС

которого известна, добиваются отсутствия тока через источник с
	эт .
	Тогда уравнение (11) можно записать для эт
	эт	I Rэт ,	(12)
	где	Rэт – сопротивление участка аd , при	котором

произошла компенсация ЭДС эталонного источника.

9

Ток

формулой

I

I

R	x

в выражениях (11) и (12) одинаков и выражается

		,	(13)
	R r
	1

так как при отсутствии тока через гальванометр весь ток от

вспомогательного

источника

протекает

по

контуру

аdс ,

содержащему

реостат,

сопротивление

которого

Rx R1 Rэт R2

не зависит от положения движка

d .

Разделив

(11) на (12), получим:

õ

R

x

, откуда х

эт

R

x

(14)

R

R

ýò

эт

ýò

Так

как

R

l

,

где

– удельное

сопротивление

S

материала

проволоки, а

l

и

S

– соответственно

ее

длина и

R

x

l

, потому что

сечение, то отношение

х

и

S

одинаковые

R

l

эт

эт

для Rx и

Rэт .

Для реостата отношение длин проволоки можно

заменить отношением

lx / lýò

–

плеч реостата (плечо – участок

реостата от точки а до ползунка d ), так как плотность и диаметр намотки проволоки постоянные. В этом случае формула (14) примет вид:

			l		x
	х		эт
			l	эт

(15)

Достоинства метода: он достаточно точен, что объясняется высокой чувствительностью современных гальванометров, кроме того, он позволяет автоматизировать процесс измерения. Недостаток в том, что необходимо иметь источник тока, ЭДС которого хорошо известна и не меняется со временем.

Порядок выполнения задания

1.Соберите цепь по схеме рис.23.5.

2.В участок 1 – 2 включите эталонный источник тока с эт .

эт

10