Лабораторна робота №1

Вивчення основних властивостей електростатичного поля

Мета роботи: вивчити основні закономірності електростатичного поля методом його моделювання і експериментальної побудови кривих однакового потенціалу і силових ліній поля між різнойменно зарядженими електродами різної конфігурації.

Теоретичні відомості, що стосуються даної лабораторної роботи, приведені в розділах 2.1 –2.3.

Прилади та матеріали: пристрій для закріплення електропровідного паперу, набір електродів, гальванометр, два провідники з металевими наконечниками (зондами).

Електростатичне поле можна зобразити графічно, використовуючи лінії напруженості (розділ 2.2, рис.2.3). Означення лінії напруженості електричного поля подано у розділі 2.2. Згідно з цим означенням, через кожну точку поля можна провести тільки одну лінію. Лінії напруженості не перетинаються між собою. Лінія напруженості співпадає з кривою траєкторії, яку описав би пробний додатній заряд, рухаючись під дією електростатичних сил. Лінії електростатичного поля завжди починаються на додатних зарядах, а закінчуються на від’ємних (розділ 2.2, рис.2.3).

Для визначення величини напруженості поля за допомогою ліній напруженості домовилися вважати, що величина напруженості в даній точці поля чисельно дорівнює густині ліній напруженості. Густина ліній напруженості електричного поля дорівнює числу ліній напруженості, які проходять через площину одиничної площі, перпендикулярну в даній точці поля до цих ліній.

У розділі 2.2 показано, що вектор напруженості електричного поля перпендикулярний до еквіпотенціальної поверхні (рис.2.4). Таким чином, лінії напруженості електростатичного поля є множиною ліній, ортогональних до еквіпотенціальних поверхонь. Ортогональність ліній напруженості і еквіпотенціальних поверхонь суттєво полегшує як експериментальне, так і теоретичне дослідження електростатичного поля.

У даній роботі визначається розподіл потенціалів у електричному полі, а силові лінії досліджуваного поля будуються як лінії, ортогональні до експериментально знайдених поверхонь однакового потенціалу.

Опис обладнання.

Для вивчення якісної картини електростатичного поля використовується пристрій, зображений на рис.2.12.

Рис.2.12

На дерев’яній підставці 1 розташовано одну круглу комірку а, і дві прямокутні комірки б і в. У цих комірках відповідно закріплені електроди: в комірці а – точковий електрод 3 і круглий електрод 2; у комірці б – два прямокутних електроди 4 і 5 і в комірці в – два точкових електроди 6 і 7. На ці електроди та всю поверхню комірки зверху накладається електропровідний папір 8. Для забезпечення надійного електричного контакту папір повинен щільно прилягати до електродів. Між електродами у кожній комірці створюють різницю потенціалів, під єднавши електроди до джерела постійної напруги 24 В. Для вимірювання різниці потенціалів використовують гальванометр G, до якого під’єднані гнучкі провідники з металевими наконечниками (зондами) 9 і 10. Прикладаючи зонди до двох точок електропровідного паперу, можна за допомогою гальванометра виміряти різницю потенціалів між цими точками. Якщо різниця потенціалів між даними точками дорівнює нулю, то стрілка гальванометра буде знаходитись напроти нульової поділки.

Хід роботи.

1. В кожну із комірок на дерев’яній підставці з електродами покласти електропровідний папір і за допомогою кріплення домогтися, щоб він щільно прилягав до електродів.

2. До гальванометра під’єднати провідники з металевими наконечниками (зондами).

3. Після перевірки викладачем зібраної схеми вилку ввімкнути у розетку з напругою 24В.

4. Один із зондів 9 від гальванометра прикласти до електропровідного паперу біля поділки 2см, яка нанесена на шкалі біля комірок б і в, а другим зондом 10, рухаючи по електропровідному папері, знайти 6÷ 7 точок однакового потенціалу. Для точок однакового потенціалу стрілка гальванометра має знаходитись навпроти поділки “ 0 ”.

5. Нерухомий зонд 9 почергово переставляти напроти поділок 4, 6, 8 і т.д. по вертикалі, і аналогічним способом як в п.4. знаходити 6÷ 7 точок однакового потенціалу. Точки однакового потенціалу в кожному із випадків позначити на електропровідному папері олівцем.

6. У відповідному масштабі отримані точки однакового потенціалу нанести на міліметровий папір. З’єднуючи ці точки за допомогою лінійки і лекала, нарисувати лінії однакового потенціалу (еквіпотенціальні лінії).

7. На отриманому рисунку показати силові лінії. Їх проводять так, щоб кут між дотичними до силової лінії і еквіпотенціальної лінії становив 90˚.

8. Графічне зображення електричного поля отримати вище зазначеним способом для комірок б і в.

9. Нерухомий зонд 9 помістити у центр комірки а, а другим електродом 10, радіально віддаляючись від центрального на 2, 4, 6 см і т.д., по колу через 10-20˚ знаходимо точки однакового потенціалу.

10. Отримані точки в даному масштабі наносять на міліметровий папір і через них проводять лінії однакового потенціалу і силові лінії, як було вказано в пп.6 і 7. Графічні зображення електричних полів долучити до звіту.

Контрольні запитання.

1. Що називається напруженістю електричного поля?

2. Запишіть формули закону Кулона для взаємодії точкових зарядів і формулу напруженості електричного поля.

3. Що називається лінією напруженості?

4. Що називається потенціалом електричного поля?

5. Що називається еквіпотенціальною поверхнею?

6. Доведіть, що силові лінії і еквіпотенціальні поверхні ортогональні між собою.

7. Що називається потоком вектора напруженості електричного поля?

8. Сформулюйте і запишіть теорему Остроградського - Гаусса для електричного поля у вакуумі.