- •Федеральное агентство по образованию
- •1. Теоретические сведения
- •1.1. Электрическое поле. Напряженность
- •1.2.Принцип суперпозиции электрических полей
- •1.3.Потенциальный характер электростатического поля.Работа сил поля при перемещении зарядов. Циркуляция и ротор вектора напряженности
- •1.4.Потенциал. Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле
- •1.5.Связь между напряженностью и потенциалом
- •1.6. Эквипотенциальные поверхности
- •2. Описание методики эксперимента
- •2.1. Аналогия между электростатическим полем
- •3. Описание лабораторной установки
- •4. Порядок выполнения работы
- •5. Содержание отчёта
- •6. Приложение
- •7. Контрольные вопросы и задания
2. Описание методики эксперимента
2.1. Аналогия между электростатическим полем
и током в сплошной среде
Закономерности, существующие в электростатических явлениях, оказываются применимыми и совершенно в другой области – при протекании электрического тока в сплошной проводящей среде. Пример такой среды – почва, особенно сырая.
Рассмотрим случай, когда в неё погружены на некотором расстоянии друг от друга два электрода, соединённые с источником ЭДС. Чему равно электрическое сопротивление среды, и как оно зависит от расстояния между электродами? Плотность тока в среде определяется законом Ома в дифференциальной форме
, (2.1)
где - удельное сопротивление среды. Таким образом, линии плотности тока совпадают с линиями напряженности электрического поля. Предположим, что среда однородная,=сonst, окружим один из электродов замкнутой поверхностью S. Сила тока равна потоку вектора плотности через поверхность, или, с учётом (2.1)
I=. (2.2)
Теперь представим, что проводящая среда удалена, тогда электроды можно рассматривать как обкладки конденсатора. Заряд на обкладках равен
Q=CU , (2.3)
где С – ёмкость данного конденсатора,
U – разность потенциалов между электродами.
По теореме Гаусса
. (2.4)
При неизменной разности потенциалов между электродами, поле между ними в вакууме будет точно таким же, как и при наличии проводящей среды. Следовательно
I=. (2.5)
И сопротивление однородной среды равно
R=. (2.6)
Эти рассуждения неприменимы в случае неоднородной среды, так как в ней возникают объёмные заряды, создающие электрическое поле, и результирующая картина поля не будет совпадать с той, что наблюдается при отсутствии среды.
Второе условие применимости формул (2.5) и (2.6) – поверхность электродов должна быть эквипотенциальной, т.е. удельное сопротивление электродов значительно меньше удельного сопротивления среды.
Найдём сопротивление сплошной среды для случая сферических электродов радиусаr0, расстояние между центрами которых равно d (рис. 5). При достаточно большой глубине электродов среду можно считать бесконечной. На прямой, соединяющей центры электродов, рассмотрим точку А на расстоянии х от центра левого электрода. Напряжённость поля в этой точке
Е=Е(+)+Е(-)=. (2.7)
Разность потенциалов между электродами равна
U=. (2.8)
В реальных случаях расстояние между электродами будет значительно больше их размеров, d>>r0, и вторым слагаемым можно пренебречь
U= . (2.9)
Учитывая, что I=Q/, найдём
R=, (2.10)
т.е. сопротивление среды не зависит от расстояния между электродами! Качественно это можно объяснить увеличением эффективной площади, по которой протекает ток с увеличением расстояния. Увеличение длины проводника увеличивает сопротивление, увеличение площади сечения – уменьшит , здесь эти факторы компенсируют друг друга. На этом основано применение заземления линий электропередач. Как видно из (2.8), основной вклад в сопротивление среды даёт область вблизи электродов, поэтому их погружают на уровень грунтовых вод.