Теория метода и описание установки

Исследование электростатического поля заключается в нахождении величины и направления напряженности в любой его точке. Таким образом, задача приводится к построению силовых линий поля. Силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям, поэтому достаточно найти положение эквипотенциальных поверхностей, а затем построить силовые линии.

В данной работе электростатическое поле изучается методом моделирования, при котором создается эквивалентное ему поле переменного тока небольшой частоты (50 Гц).

Построение эквипотенциальных поверхностей производится с помощью установки, изображенной на рис. 21.

Рис. 21

В прямоугольную ванну, заполненную водой, помещают металлические электроды Э₁ и Э₂, поле которых изучается. Электроды укреплены на держателях, опирающихся на борта ванны. На зажимы электродов подается переменное напряжение 6,3 В. Перемещением движка потенциометра R можно придавать различные значения потенциала этому движку относительно электродов, погруженных в ванну (в пределах полной разности потенциалов). В какой-нибудь точке поля устанавливается зонд 3. Зонд представляет собой тонкий металлический стержень с заостренным концом на изолирующей ручке. Если зонд находится в такой точке, потенциал которой равен потенциалу движка делителя, то величина сигнала на экране осциллографа будет минимальной, так как на обе отклоняющие пластины «У» осциллографа подается в этом случае одинаковый потенциал. Форму эквипотенциальной поверхности можно определить, фиксируя с помощью зонда несколько точек, имеющих одинаковый с движком потенциометра потенциал.

Перемещая движок потенциометра, придают ему различные значения потенциала и для каждого значения находят соответствующую эквипотенциальную линию (перемещая зонд в ванне).

Выполнение работы

1. В ванну, наполненную водой до высоты 3 - 4 см, установить систему из двух электродов, образующих плоский конденсатор.

1. Расчертить на миллиметровой бумаге в масштабе сетку, подобную той, которая нанесена на дне ванны. Зафиксировать на ней положение электродов.

2. Собрать электрическую схему. После проверки схемы лаборантом подать напряжение 6,3 В и включить осциллограф в сеть с напряжением 220 В.

3. Пометить зонд между электродами и найти такую точку, в которой сигнал на осциллографе будет минимальным. Затем находят в поле еще 5-6 точек, для которых показания осциллографа не меняются. Переносят координаты найденных точек равного потенциала на миллиметровую бумагу и соединяют их плавной линией; указывая потенциал, которому соответствуют эти точки. Потенциал определяют по вольтметру.

1. С помощью потенциометра R изменить напряжение на 0,5 - 1 В и построить эквипотенциальную линию, пользуясь указаниями пункта 4. Строят не менее шести эквипотенциальных линий, отличающихся одна от другой на = 0,5 - 1 В.

4. Устанавливают в ванне новые системы электродов и повторяют операции, указанные в пунктах 4-5, исследуя форму полей: а) цилиндрического конденсатора; б) плоского конденсатора, внутри которого помещено незаряженное металлическое тело; в) плоскости и точечного заряда.

5. На основании полученных эквипотенциальных кривых построить силовые линии каждого поля. Рассчитать среднюю напряженность на нескольких участках поля и сферического конденсаторов по формуле:

Е =

где - разность потенциалов двух соседних эквипотенциальных линий;

- расстояние между этими линиями.