 |
Изучение электростатического поля
|
|
|
|
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Учебно-методическое пособие
к лабораторным занятиям
Издание 3, дополненное
Челябинск
УДК 537
Ш 95
В пособии приводятся основные понятия и законы, которые изучаются при выполнении лабораторных работ по разделу «Электричество» курса общей физики. Представлено описание лабораторных установок, указан порядок проведения эксперимента и обработки результатов измерений, даны вопросы для контроля знания изучаемой темы.
Предназначено для студентов очного и заочного отделений Челябинского института путей сообщения.
Составитель старший преподаватель кафедры
естественнонаучных дисциплин Шушарин А.В.
Рецензент кандидат технических наук, доцент кафедры
электротехники и транспортного производств ЧИПС
Казимиров А. Н.
Печатается по решению учебно-методического совета
Челябинского института путей сообщения
© Филиал Уральского государственного университета путей
сообщения. Челябинский институт путей сообщения, 2015.
ВВОДНОЕ ЗАНЯТИЕ
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
К лабораторным занятиям допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности и расписавшиеся в журнале по технике безопасности. При проведении работ студенты обязаны соблюдать меры личной безопасности и меры по сохранению оборудования:
- перед выполнением работы студент обязан изучить описание предстоящей работы;
- не допускать применение неисправных электрических вилок, розеток, проводов c нарушенной изоляцией, не допускать переплетения соединительных проводов;
- устанавливать рекомендованные пределы измерения приборов либо устанавливать максимальный предел; регуляторы напряжения и тока устанавливать на минимальные значения;
|
|
|
- не разрешается держать электрическую цепь под напряжением длительное время, цепь замыкать только на время измерений,
- запрещается прикасаться руками к элементам цепи, если она находится под напряжением;
- не разрешается класть на стол сумку, одежду; нельзя загромождать проходы сумками, стульями;
- по окончании измерений необходимо отключить приборы и привести рабочее место в порядок.
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Электроизмерительные приборы – это устройства, предназначенные для измерения электрических величин: тока, напряжения, сопротивления. Например, вольтметры, амперметры. Процесс измерения основан либо на непосредственном отсчете показаний по прибору, либо на методе сравнения с образцовой мерой.
Основными характеристиками электроизмерительных приборов являются:
1. Вид тока: «–» – постоянный, «~» – переменный.
2. Знак системы, который определяется физическим явлением, положенным в основу его действия. В лаборатории используются приборы двух систем: а) – магнитоэлектрическая, по действию магнитного поля на рамку с исследуемым постоянным током; б) – электромагнитная, по притяжению ферромагнитного сердечника к катушке с исследуемым как постоянным, так и переменным током.
3. Предел измерений Y 0 – это наибольшее значение диапазона измерений. Отсчет измеряемой величины определяется как произведение цены деления шкалы на число делений, которое показывает стрелка: Y = C N. Цена деления показывает значение величины, вызвавшей отклонение указателя (стрелки) на одно деление. Она равна отношению предела измерения прибора к числу делений шкалы: 
.
4. Знак класса точности прибора: 0,2; 0,5; 1,0; 2,5 – это выраженное в процентах отношение систематической погрешности к пределу измерения: 
. Систематическая погрешность прибора может быть определена по классу точности 
. Она одинакова при любом положении стрелки прибора. Поэтому рекомендуется подбирать предел измерения так, чтобы стрелка находилась в крайней трети шкалы.
|
|
|
Для цифровых приборов погрешность измерения равна единице последнего разряда на индикаторе.
ОСЦИЛЛОГРАФ
Осциллограф предназначен для исследования формы электрических процессов путем визуального наблюдения на экране и измерения их временных и амплитудных значений.
В лаборатории используются цифровые осциллографы АСК 2035. Цифровые осциллографы обладают большими возможностями обработки исследуемых сигналов. Часть этих возможностей используются при проведении лабораторных работ. Обычно используются следующие элементы управления.
5. Регулятор ввода данных. Поворотом ручки производится выбора п пунктов Меню и нажатием (щелчком) фиксируется выбор, производится управление линиями курсора.
6. Кнопка AUTO. При нажатии осциллограф автоматически выбирает значения настроек для получения осциллограммы.
7. Кнопка CURSOR. При нажатии появляется окно диалога для выбора кнопками «меню» и ручкой «регулятора ввода» режима курсорных измерений. При повторном нажатии в углу экрана появляется окно диалога, в котором ручкой «регулятора ввода» производится управление курсорными линиями. Там же считываются результаты измерений.
8. Кнопка RUN/STOP. При нажатии осциллограф прекращает регистрацию сигнала, осциллограмма останавливается на экране, кнопка загорается красным цветом. При повторном нажатии регистрация сигнала восстанавливается. Удобна для измерений при нестабильной осциллограмме.
9. Панель TRIGER. Производится выбор режима запуска. Правая кнопка используется для запуска одного сигнала, если на экране наблюдается наложение нескольких сигналов.
10. Панель VERTIKAL вертикального управления осциллограммами каналов СН 1 и СН 2. Подсвечен выбранный осциллографом канал. Снизу расположены ручки усиления (поворот по часовой стрелке), сверху − ручки вертикального перемещения осциллограммы.
11. Панель HORIZONTAL горизонтального управления осциллограммой. Нижняя ручка управляет горизонтальной разверткой, верхняя – смещением осциллограммы по горизонтали. Нажатием на кнопку HORIZ MENU вызывается окно диалога, в котором кнопками Меню выбирается режим X−Y (сложения колебаний) или другой режим.
|
|
|
14. Входы каналов СН 1 и СН 2. Для подключения используются только коаксиальные кабели Т5100 с сопротивлением 248 Ом.
15. Зона функциональных кнопок Меню. Пять кнопок служат для выбора функций и установок в окне диалога на экране.
20. Кнопка Сеть.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ
Изучить теоретический материал по данному пособию, учебнику, конспекту лекций. Ответить преподавателю на контрольные вопросы по выполнению и теории работы. Получить допуск к проведению лабораторной работы.
Проверить работоспособность установки. Провести эксперимент. Внести результаты измерений в формуляр отчета. Представить результаты измерений для проверки корректности измерений преподавателю.
Произвести расчеты, построить при необходимости графики. Проанализировать результаты, сделать выводы.
Сдать отчет преподавателю.
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)
| j 1 1 |
| j 2 |
| j 3 |
| d l |
| q |
| F |
| 900 |
| > |
| > |
| → |
| → |
| Рис. 2 |
| Е |
| Рис. 1 |
| → |
Пробный 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 cos a = 0, то есть угол между вектором напряженности и касательной к эквипотенциальной поверхности равен 90 0 (рис. 2).
| Мультиметр |
| Зонд |
| Электроды |
| Лист фольги |
| ВСП-33 |
| Рис. 3 |
Изучить 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.
ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
1. Заготовить для рисунка поля лист бумаги в клетку размером в половину листа фольги. Нанести оси координат в масштабе 1:2. Нарисовать электроды.
2. Проверить электрическую цепь. Включить выпрямитель и мультиметр в сеть 220 В. На мультиметре переключателями установить режим измерения постоянного напряжения U– и предел измерения 2 В.
3. Определить потенциалы электродов. Для этого коснуться зондом левого и правого электродов. Показания мультиметра записать около изображений электродов.
4. Выбрать шаг изменения потенциала между соседними эквипотенциальными линиями так, чтобы можно было снять не менее шести эквипотенциальных линий.
Определить положение не мене шести точек на листе фольги со значением первого выбранного потенциала. Для этого зонд перемещать по листу фольги недалеко от левого электрода в радиальном направлении. Определить координату точки касания зонда, при которых мультиметр показывает выбранный потенциал с точностью до 1 мВ. Затем повторить поиск других точек. Координаты найденных точек нанести на лист бумаги. Около точек провести плавную линию.
5. Повторить измерения, определяя положение других шести эквипотенциальных линий с возрастающим потенциалом. Линии должны быть расположены по всей высоте графика от верхнего до нижнего края или замыкаться. У каждой линии указать её потенциал.
Выключить приборы.
6. Провести на графике поля не менее шести силовых линий, используя условие ортогональности силовых линий к эквипотенциальным линиям. Центральную силовую линию провести по оси симметрии. Другие линии проводят выше и ниже так, чтобы силовые и эквипотенциальные линии образовывали почти квадраты. Стрелки на силовых линиях направить от положительного к отрицательному электроду.
7. Произвести расчеты. Определить напряженность в некоторой точке в центре поля по формуле
. (4)
где D l – расстояние вдоль силовой линии между ближайшими эквипотенциальными линиями около исследуемой точки с разностью потенциалов D j.
8. Оценить погрешность измерения напряженности по формуле
. (5)
Принять погрешность измерения расстояния θl равной цене деления линейки, а погрешность измерения потенциала θ (Δ φ) равной единице последнего разряда мультиметра.
9. Записать результат в виде Е = <E> ± θE. Сделать выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определение электростатического поля, напряженности и потенциала поля.
2. Объясните способ проведения силовых линий и эквипотенциальных поверхностей электростатического поля. Докажите их ортогональность.
3. Выведите формулу связи между напряженностью и потенциалом электростатического поля.
4. Объясните возможность моделирования электростатического поля полем электрического тока.
5. Объясните метод поиска на листе фольги совокупности точек с одинаковым потенциалом.
6. Объясните способ расчета напряженности в некоторой точке исследуемого поля. Как можно определить области сильного или слабого электростатического поля?
Работа 21
|
|
|
