Работа 20 изучение электростатического поля

Цель работы: определить положение эквипотенциальных поверхностей и силовых линий электростатического поля методом моделирования, рассчитать напряженность поля.

Оборудование: лист металлической фольги с координатной сеткой и электродами, источник питания ВСП-33, мультиметр ВР 11, зонд.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Электростатическое поле – это форма материи, проявляющая себя в воздействии на электрические заряды. Электростатическое поле создается неподвижными электрическими зарядами. Существует два вида электрически заряженных тел: положительные (недостаток электронов) и отрицательные (избыток электронов).

Силовой характеристикой поля является напряженность. Это вектор, определяемый отношением силы, действующей на малый пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине пробного заряда:

. (1)

П робный заряд – это положительный заряд небольшой величины, который не искажает своим действием распределения зарядов на телах.

Напряженность поля системы электрических зарядов, согласно принципу суперпозиции (независимости) полей, определяется векторной суммой напряженностей полей отдельных зарядов, .

Электростатическое поле для наглядности изображают графически с помощью силовых линий. Это линии, касательные к которым совпадают с векторами напряженности. Силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных либо уходят в бесконечность. Например, поле двух разноименных зарядов на рис.1 (сплошные линии).

Энергетической характеристикой электростатического поля является потенциал. Он равен отношению потенциальной энергии пробного заряда в некоторой точке поля к величине этого заряда:

. (2)

Совокупность точек пространства с одинаковым потенциалом образует эквипотенциальную поверхность. С помощью эквипотенциальных поверхностей также изображают электростатическое поле (рис. 1, 2).

Между характеристиками поля, напряженностью и потенциалом, существует связь, которую можно установить, определив элементарную работу при перемещении заряда вдоль силовой линии (рис. 2). Работа силы F = q E на пути dl вдоль силовой линии совершается полем за счёт убыли потенциальной энергии взаимодействия: dA = - dW, то есть q E dl = - q dj. Отсюда

. (3)

Напряженность электростатического поля равна быстроте изменения потенциала вдоль силовой линии и направлена в сторону наиболее быстрого убывания потенциала. Производная называется градиентом потенциала.

Силовые линии и эквипотенциальные поверхности электростатического поля ортогональны, то есть их касательные в точке пересечения взаимно перпендикулярны. Доказать это можно, определив работу поля по перемещению заряда по эквипотенциальной поверхности . Так как вдоль эквипотенциальной поверхности dj = 0, то cosa = 0, то есть угол между вектором напряженности и касательной к эквипотенциальной поверхности равен 90 ⁰ (рис. 2).

И зучить электростатическое поле в диэлектрической среде прямым методом измерения потенциалов точек поля практически трудно. Измерительный прибор, соединенный с зондом, закорачивает промежуток пространства между зондом и зарядом и выравнивает их потенциалы. Поэтому применяют метод моделирования электростатического поля полем постоянного электрического тока в слабо проводящей среде. Роль зарядов играют электроды, подсоединенные к источнику постоянного тока. Между электродами возникает электрическое поле и течет электрический ток. Скорость направленного движения электронов сравнительно мала, и они движутся практически вдоль силовых линий, не успев разогнаться и сойти по касательной с силовой линии. Таким образом, линии тока и силовые линии поля совпадают.

В установке проводящей средой является лист железной фольги, на котором закреплены электроды и нанесена координатная сетка (рис. 3). Сечения эквипотенциальных поверхностей листом фольги являются эквипотенциальными линиями. Зонд, касающийся некоторой точки листа фольги, приобретает потенциал точки касания. Этот потенциал измеряется мультиметром.