Лабораторная работа № 6 исследование электрического поля

Студент должен:

уметь: экспериментально найти эквипотенциальные поверхности и силовые линии электростатического поля; обращаться с физическими приборами и использовать их при проведении лабораторных работ; оценивать погрешности измерений; пользоваться необходимой справочной литературой;

знать: понятие электрического поля; способы исследования электрического поля; устройство и принцип работы физических устройств; правила техники безопасности при работе в кабинете физики.

Обеспеченность занятия

Оборудование и инструменты: нуль-гальванометр, щупы (подвижный и неподвижный), ванна со слабым раствором медного купороса, источник постоянного тока, набор электродов различной формы, цветные карандаши.

Раздаточные материалы: данные методические рекомендации по выполнению лабораторных работ.

Краткие теоретические материалы по теме лабораторной работы

Взаимодействие электрических зарядов друг с другом описывается с помощью электрического поля, основными характеристиками которого являются его напряженность E и потенциал . Вектор напряженности поля определяет силу, действующую на заряд, находящийся в электрическом поле, а именно: сила F, действующая на точечный заряд q, помещенный в некоторую точку поля, есть:

F=qE (1),

где E – вектор напряженности поля в этой точке.

Работа, которую совершает электрическое поле над единичным положительным зарядом при переносе его из точки 1 в точку 2, равна разности потенциалов между этими точками:

А₁₂ =₁–₂ (2).

Тем самым, потенциал  определяет потенциальную энергию W_n заряда q, находящегося в данной точке поля:

W_п=q. (3).

Сами величины E и  связаны друг с другом следующим образом:

E= – grad  (4).

В формуле (4) нетрудно разглядеть известное из механики соотношение между силой и потенциальной энергией: F= – grad W_п, которое получается из (4) если умножить обе части равенства на заряд q и учесть (1) и (3).

Рисунок 6.1

Можно графически изображать поле с помощью силовых линий или эквипотенциальных поверхностей. Силовой линией или линией электрического поля называется такая линия, касательная к каждой точке которой, совпадает с направлением вектора напряженности E в данной точке. Силовые линии начинаются на положительных и оканчиваются на отрицательных зарядах, и либо одним, либо обоими своими концами уходят в бесконечность.

Эквипотенциальные поверхности, это поверхности равного потенциала. Силовые линии всегда направлены перпендикулярно эквипотенциальным поверхностям. Из сказанного следует, что задание вектора напряженности E или потенциала  эквивалентно, вопрос лишь в том, какая из величин E или  удобнее.

Изучение электрического поля в данной работе проводится методом электролитической ванны.

Метод электролитической ванны

В методе электролитической ванны изучение электростатического поля заменено изучением электрического поля, существующего в проводящей среде при протекании в ней постоянного тока. Такая замена оказывается правомочной, если потенциалы проводников, создающих поле, поддерживаются постоянными, а проводимость среды значительно меньше проводимости проводников. В этом случае поверхности проводников можно считать поверхностями равного потенциала.

Для проведения работы используется ванна со слабым водным раствором CuSO₄ (медный купорос), в который погружаются различного вида электроды (Э₁ и Э₂). Пара электродов присоединяется к источнику постоянного тока (рисунок 6.2). Эквипотенциальные поверхности находятся с помощью двух щупов. Один из них (неподвижный) укрепляется на ванне и соединяется с нуль–гальванометром, который через другую клемму соединяется с подвижным щупом. Таким образом, получается замкнутая цепь: раствор – подвижный щуп – нуль-гальванометр – неподвижный щуп.

Рисунок 6.2

Подвижный щуп служит для отыскания точек, для которых нуль-гальванометр не дает отклонения. Отсутствие тока через нуль-гальванометр означает, что концы щупов имеют равные потенциалы, т. е. щупы находятся на эквипотенциальной поверхности.