Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Примеры некоторых конфигураций

Электрических полей

а) Однородное поле

Если в некоторой области пространства вектор напряженности электрического поля остается постоянным, т. е. имеет неизменное направление и абсолютную величину, то говорят, что в этой области пространства электрическое поле однородно. В однородном поле связь между напряженностью поля и потенциалом упрощается, приобретая, как следует из (3), вид

Рис. 1 , (4)

где — разность потенциалов между любыми двумя эквипотенци-альными плоскостями, а — расстояние между ними.

Примером однородного электрического поля служит поле внутри плоского конденсатора (т. е. между двумя близко расположенными параллельными проводящими пластинами, несущими равные по модулю, разноименные заряды). Сказанное иллюстрирует рис. 1.

б) Поле диполя

Точечный электрический диполь — это система 2-х одинаковых по величине, но разных по знаку, точечных зарядов, расстояние l между которыми значительно меньше расстояния от зарядов до точки наблюдения, где определяется поле системы. Вектор проводится от отрицательного к положительному заряду (см. рис. 2). Так же ориентирован и электрический дипольный момент, который, по определению, равен . Чтобы составить представ-ление о конфигурации поля диполя, учтем, что картина силовых линий обладает осевой симметрией. Это позволяет ограничиться изображением поля в любой плоскости, содержащей вектор . Соответствующее изображение дано на рис. 3, содержащем силовые (сплошные) и эквипотенциальные (пунктир) линии.

Рис. 3

Описание экспериментальной установки

Изучаемые электрические поля образуются с помощью металлических электродов. В каждом случае используется пара электродов различной формы (пластины, цилиндры и т. п.), между которыми поддерживается постоянное напряжение. Так называется разность их потенциалов.

Известно, что в электростатическом случае (когда поле постоянно, а токи отсутствуют) все точки проводника обладают одинаковым потенциалом. Так что внутри проводника электростатического поля нет, и анализ структуры поля связан с наружным пространством.

Особенностью предлагаемой лабораторной работы является то, что присущая электростатическим условиям структура полей изучается в ней в заведомо не электростатических, хотя и стационарных (поле постоянно, но есть постоянный ток) условиях. Причина возможности подобной подмены заключается в следующем. В физике вообще и в электродинамике, в частности, нередко случается, что уравнения для различных физических условий имеют в точности одинаковый вид. Используемые символы (буквы) в них могут, конечно, отличаться, но математическая форма уравнений совпадает. А у одинаковых уравнений — одинаковые решения! Именно это обстоятельство используется авторами этой лабораторной работы. Оказывается, что уравнения и граничные (между областями с разной проводимостью ) соотношения к ним, описывающие электрическое поле в условиях постоянного тока, обнаруживают формальную аналогию с уравнениями электростатического поля в диэлектриках, отличаясь от них лишь заменой диэлектрической проницаемости на . Это позволяет, изучая конфигурацию токов, фактически выявлять конфигурацию электростатического поля.

В данной лабораторной работе металлические электроды, о которых говорилось в начале раздела, разделены не диэлектрической, а проводящей средой. Роль последней играет электропроводящая пленка, к которой прижаты электроды. По пленке течет ток, причем распределение потенциала (а значит, и электрического поля) в ней совпадает с распределением электростатического потенциала (в отсутствие пленки), создаваемого электрически заряженными телами такой же конфигурации, что и электроды.

Схема лабораторной установки дана на рис. 4. На ней указаны основные элементы (обеспечивающие требуемый токовый режим и возможность измерения потенциала): источник постоянного тока, электроды, вольтметр, щуп, указана также ориентация декартовых осей.

Представленный на схеме (рис. 4) прямоугольник с электродами символизирует место, где располагают плату для моделирования полей. Всего таких плат четыре: 1) плоские электроды; 2) «сектор»; 3) диполь; 4) проводник переменного сечения. На рис. 5 эта область занимает нижнюю половину. Там же представлен так называемый пантограф (устройство для вычерчивания копий). Пантограф содержит горизонтальную рейку, которую можно перемещать в перпендикулярном направлении (по оси у) с отсчетом координаты у по «вертикальной» линейке и фиксировать. По рейке, в свою очередь, перемещают каретку с отсчетом координаты х по горизонтальной линейке. Каретка несет держатель щупа (внизу рис. 5) и упругий кронштейн с держателем фломастера (средняя часть рис. 5). При нажатии щуп касается металлическим электродом проводящей пленки, размещенной на плате. Подключенный к щупу вольтметр регистрирует потенциал соответствующей точки. Когда нужный потенциал найден, нажимают на упругий кронштейн, и фломастер отмечает положение этой точки на миллиметровке. Одновременно регистрируют декартовы координаты этой точки.

Порядок выполнения работы

1. В пазы каркаса вставьте плоские электроды (плата 1 для моделирования полей). Слегка прижмите плату винтом, выступающим вправо из борта каркаса.

2. Расположите лист миллиметровой бумаги на пластине конденсатора, наколов углы миллиметровки на шпильки.

3. Вставьте щуп и фломастер в их держатели.

4. Подвижную рейку, несущую щуп и фломастер, зафиксируйте винтом, при этом фиксируется и предварительно выбранное значение координаты y.

5. Перемещая по рейке мелкими шагами каретку, предварительно установленную в крайне левое положение, т.е. изменяя только координату x, измеряйте на каждом шаге по показаниям вольтметра значения потенциала с тем, чтобы найти координаты, соответствующие заранее выбранному его значению. Найденное положение нажатием (с небольшим усилием) на фломастер отмечайте на миллиметровке.

6. Передвигая подвижную рейку с шагом, равным 10 мм, по оси y вплоть до конца платы, повторите п. 5 для каждого шага.

7. Повторите пп. 1—6 для оставшихся трех других плат.

Представление результатов эксперимента

На миллиметровках с нанесенной системой точек построить эквипотенциальные линии (с указанием значений соответствующих потенциалов) и силовые линии электрического поля.

Контрольные вопросы

1. Цель работы.

2. Каким образом обнаруживается присутствие электрических полей?

3. Представление о точечном заряде. Сила его взаимодействия с электрическим полем.

4. Конфигурации полей и их наглядное представление. Силовые линии.

5. Потенциальность стационарных электрических полей.

6. Потенциал и его взаимосвязь с полем. Неоднозначность потенциала.

7. Представление об эквипотенциальных поверхностях и линиях. Взаимная ориентация силовых линий и эквипотенциальных поверхностей (линий).

8. Однородное поле. Его взаимосвязь с потенциалом.

9. Напряженность и потенциал поля точечного заряда. Закон Кулона. Потенциальная энергия взаимодействия двух точечных зарядов.

10. Определение электрического дипольного момента.

11. Характеристика метода исследования конфигурации поля, используемого в работе.

12. Содержание лабораторных упражнений. Порядок их выполнения.

Литература

1. А.В. Астахов, Ю.М. Широков. Курс физики. Т. 2. Электромагнитное поле. М.: «Наука», 1980. 359 с.

2. И.Е. Иродов. Электромагнетизм. Основные законы. М.-СПб.: Физматлит, 2000. 350 с.

3. С.М. Крейнин. Физические системы: модели, состояния, уравнения и законы движения. Т. 1. М.: Изд-во ООО «ИПЦ “Маска”», 2009. 476 с.

4. Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Т. 3. Электричество. М.: «Наука», 1977. 688 с.

5. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. М.: «Мир», 1966. Вып. 5. 296 с.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒