2. Метод измерений и экспериментальная установка
При конструировании электронных ламп, конденсаторов, электронных линз и других приборов часто требуется знать распределение электрического поля в пространстве между электродами сложной формы. Аналитический расчет поля удается только при самых простых конфигурациях электродов и в общем случае невыполним.
Для исследования сложных электростатических полей используется метод электролитической ванны (метод зондов), в котором экспериментально определяется положение линий равного потенциала, что позволяет построить силовые линии поля и найти напряженность в различных его точках. В этом случае прямое изучение электростатического поля в вакууме заменяется изучением его точной, но более удобной моделью. Оказывается, что при некоторых условиях распределение потенциалов в среде, по которой течет ток между установленными в ней электродами, может быть сделано тождественным с распределением потенциалов между теми же электродами, когда между ними имеется электростатическое поле в вакууме или в однородном диэлектрике.
Это связано с тем, что в однородном проводнике при прохождении по нему постоянного тока нет объемных зарядов.
Установка
состоит из плексигласовой ванны
(рис.6) с горизонтальным плоским дном и
двумя металлическими электродами
и
,
между которыми исследуется поле.
На электроды подается постоянный ток. Ванна заполняется водопроводной водой.
Для
изучения распределения потенциалов
используется зонд
.
Он изготовлен в виде металлического
щупа с острием и соединен через
вертикальные пластины осциллографа
с
движком потенциометра
.
Если зонд установить в некоторую точку
в ванне, чтобы разность потенциалов
между электродом
и
этой точкой была такой же, как и между
точками
и
,
то напряжение
на вертикальных пластинах развертки
осциллографа будет равно нулю.При
этом на экране осциллографа будет видна
тонкая горизонтальная линия.
Для
нахождения эквипотенциальной поверхности
надо отметить ряд положений зонда,
соответствующих одному и тому же
показанию вольтметра
и нулевому напряжению на вертикальных
пластинах осциллографа (тонкой
горизонтальной линии на экране).
3. Порядок выполнения работы
Задание 1. Изучение однородного электростатического поля.
При выполнении работы необходимо следить, чтобы электроды не оказались замкнутыми накоротко. Во избежание этого категорически запрещается зондом касаться электродов.
Перенести на чистый лист миллиметровой бумаги оси координат, задающие симметрию расположения электродов электролитической ванны. На этот же лист нанести электроды
и
при фиксированном их расположении
относительно осей
и
.
Приготовить два листа миллиметровой
бумаги для графического изображения
исследуемых полей (однородного и
неоднородного).Собрать цепь по схеме, изображенной на рис. 6, и установить движок потенциометра
примерно на середине.Налить в ванну воды столько, чтобы она равномерно покрыла поверхность ванны тонким слоем.
Включить источник питания, вольтметр и осциллограф, дождаться появления на экране осциллографа сигнала в виде горизонтальной линии.
По заданию преподавателя установить на вольтметре значение потенциала
.
Зондом, опущенным в ванну вертикально,
найти точку, которой соответствует на
экране осциллографа узкая линия сигнала.
Координаты этой точки нанести на лист
миллиметровой бумаги или записать в
таблицу (на усмотрение преподавателя).
Для этого же
найти аналогично еще 4 точки.Соединить найденные точки в линию, указав возле нее значение потенциала
(первая
эквипотенциальная поверхность).Пункты 6 и 7 повторить для
и
,
изменяя потенциал на 1-2 В для каждой
эквипотенциальной поверхности.По построенным эквипотенциальным поверхностям изобразить силовые линии напряженности.
Рассчитать напряженность электрического поля по формуле:
где
разность потенциалов между выбранными
эквипотенциальными поверхностями;
-
расстояние
между ними.
Значения напряженности в разных точках поля записать на лист миллиметровой бумаги.
Задание 2. Изучение неоднородного электростатического поля.
По указанию преподавателя взять металлическое тело из набора электродов, нанести форму и координаты данного тела на второй лист миллиметровой бумаги.
Поместить металлическое тело в ванну с водой симметрично между электродами
и
.
(По
усмотрению преподавателя
электрод
можно
заменить
электродом из набора).Повторить п. п. 6-9 из задания 1, только для каждого потенциала снять 8-10 точек. Для более наглядного изображения поля взять 7-8 значений потенциала
.Повторить п. п. 10-11 из задания 1.
Сделать выводы о влиянии металлического тела на первоначально исследованное электростатическое поле.
Таблица
|
№ п/п |
|
|
|
|
|
··· |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
· · · |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
