- •Маханика, молекулярная физика, электричество и магнетизм
- •2. Виды ошибок
- •3. Обработка результатов прямых измерений
- •4. Надежность измерений
- •5. Исключение промахов
- •6. Пример обработки результатов прямых измерений
- •7. Некоторые советы и рекомендации к расчетам и вычислениям
- •Литература
- •Индивидуальное задание
- •Проверка основного закона динамики вращательного движения
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения
- •Литература
- •Сложение взаимно перпендикулярных гармонических колебаний
- •Теория метода
- •Измерения
- •Литература
- •Определение отношения теплоемкостей газов сp/сv методом Клемана и Дезорма
- •Теория метода
- •Порядок выполнения работы
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Изучение электростатического поля Теоретические сведения Электростатическое поле
- •Напряженность электрического поля
- •Потенциал электрического поля
- •Связь между напряженностью электрического поля и потенциалом
- •Экспериментальные исследования электростатических полей
- •Выполнение работы
Связь между напряженностью электрического поля и потенциалом
Напряженность и потенциал – взаимосвязанные характеристики поля. Для подтверждения этого рассмотрим перемещение заряда q на бесконечно малом пути dr. Используя понятие разности потенциалов, получим:
. (6.15)
Эту же работу можно выразить и через напряженность поля:
. (6.16)
Здесь
– проекция вектора напряженности на
направление перемещения.
Из уравнений (6.15) и (6.16) легко получить связь потенциала и напряженности поля в данной точке:
. (6.17)
Знак минус в (6.17) показывает, что вектор напряженности поля направлен в сторону убывания потенциала.
Эту связь можно выразить и графически, если проводить эквипотенциальные поверхности так, чтобы они соответствовали одинаковым приращениям потенциала (одинаковые разности потенциалов между соседними эквипотенциальными поверхностями). В этом случае быстрота изменения потенциала в направлении силовых линий будет обратно пропорциональна расстоянию между соседними эквипотенциальными поверхностями. Это значит, что густота эквипотенциальных поверхностей пропорциональна напряженности поля: там, где больше напряженность поля, там и эквипотенциальные поверхности располагаются теснее друг к другу.
Итак, электрическое поле есть особый вид материи, передающий взаимодействие между зарядами. Электрическое поле характеризуется двумя взаимосвязанными величинами: напряженностью поля Е и потенциалом φ. Напряженность поля – силовая, а потенциал – энергетическая характеристики поля. Напряженность определяет силу, действующую на заряд, а потенциал является мерой потенциальной энергии заряда в данной точке поля. Для описания электрического поля достаточно знать одну из этих величин, так как вторая всегда может быть определена с ее помощью.
Потенциал часто бывает удобнее для описания поля, так как потенциал – скалярная величина и вполне определяется только своим численным значением, в то время как напряженность поля есть вектор и для каждой точки поля надо знать три его составляющие. Кроме того, потенциал или разность потенциалов гораздо легче измерить.
Экспериментальные исследования электростатических полей
И
змерить
разность потенциалов между двумя
проводниками или между двумя точками
проводника не трудно – для этого
существуют вольтметры. Более сложная
задача – измерение разности потенциалов
между проводником и какой-либо точкой
поля или данной точкой поля Земли.
Для исследования электростатического поля могут быть использованы электрометры. Однако, в силу трудностей экспериментов с электрометром, изучение электростатического поля системы заряженных проводников заменяют изучением поля электрического тока между той же системой проводников, если потенциалы проводников поддерживаются постоянными и проводимость среды во много раз меньше проводимости проводников.
Такой способ изучения называется моделированием, а реализуется он с помощью ванны, представляющей сосуд, в котором могут помещаться электроды различной конфигурации. В ванну заливается слабопроводящий раствор.
Таким образом, если проводники нужной формы поместить в однородную слабопроводящую среду и поддерживать постоянство потенциала с помощью внешнего источника ЭДС, то структура электрического поля между электродами совпадает со структурой электрического поля, созданного зарядами, расположенными на этих электродах (рис. 6.5).
Во избежание неудобств, связанных с электролизом и поляризацией электродов, питание установки лучше производить не постоянным, а низкочастотным переменным током.
Обычно непосредственное изучение электростатического поля осуществляется с помощью зонда, представляющего собой проводник достаточно малых размеров. На зонд с помощью потенциометра подают потенциалы различной величины относительно одного из электродов (обычно заземленного). Если потенциал данной точки поля и зонда совпадают, то ток через зонд, фиксируемый гальванометром, отсутствует. Если при перемещении зонда в электролитической ванне ток через гальванометр отсутствует, то это означает, что зонд перемещается вдоль сечения эквипотенциальной поверхности. Таким образом, можно с помощью эквипотенциальных линий представить картину электрического поля.
В нашей лаборатории разность потенциалов между электродами устанавливается с помощью источника тока с регулируемым выходом и вместо зонда с регулируемым потенциалом используется высокоомный вольтметр с внутренним сопротивлением порядка 100 кОм.
