Отримання знань

                  Лабораторна робота № 4

 

 

Теоретичні відомості

В основі усіх фізичних явищ лежить взаємодія між частками, які беруть участь в цих явищах. Згідно уявленням сучасної фізики всяка взаємодія передається через будь-яке поле.
        Електричне поле являє собою певну форму матерії, що породжується зарядами, за допомогою якої відбувається електрична взаємодія.

Для кількісної характеристики електричного поля служить спеціальна фізична величина - напруженість електричного поля  .

 Напруженість поля - це величина, яка виміряється відношенням сили, що діє на будь-який пробний заряд з боку електричного поля, до величини цього заряду.

  

 Для графічної якісної характеристики розподілу електричного поля в просторі введено поняття силових ліній електричного поля.

Силовою лінією електричного поля називають лінію, дотична до якої у кожній точці співпадає з направленням напруженості в цій точці.

На рисунку 1 приведено зразок силових ліній поля двох рівних зарядів з протилежними знаками.

Енергетичною характеристикою поля є потенціал . Потенціалом даної точки поля називається відношення потенціальної енергії взаємодії заряду з полем до величини заряду, який розташований в цій точці.

рис 1

Різниця потенціалів між двома точками дорівнює роботі по переміщенню електричного заряду із однієї точки в іншу, яка взята з протилежним знаком та відноситься до цього заряду.

Об'єднуючи в електричному полі точки, які мають однаковий потенціал, ми отримуємо будь-які поверхні, що називаються поверхнями рівного потенціалу або еквіпотенціальними поверхнями (рис 2).

Використовуючи еквіпотенціальні поверхні, можна зображати електричне поле графічно, подібно тому, як це робиться за допомогою силових ліній.

Перетинаючись з площиною креслення еквіпотенціальні поверхні дають еквіпотенціальні лінії. Так як усі точки, еквіпотенціальної поверхні дають однаковий потенціал, то при переміщенні заряду вздовж неї робота електричного поля дорівнює нулю. Це значить, що сила, електричного поля, що діє на заряд, весь час перпендикулярна до переміщення.

рис 2

Звідки ми маємо, що силові лінії завжди перпендикулярні до еквіпотенціальних поверхонь.

Еквіпотенціальні лінії (безперервні) та силові лінії (пунктир) поля двох різнойменно заряджених кульок.

Ортогональність (перпендикулярність) силових ліній та поверхонь рівного потенціалу істотно полегшує експериментальне і теоретичне дослідження електричного поля. 

В цій роботі експериментально вивчається розподіл потенціалів в полі та будуються еквіпотенціальні лінії, а силові лінії досліджуваних полів проводяться як ортогональні лінії до експериментально визначених ліній рівного потенціалу.

Складні електростатичні поля досліджуються експериментально (при конструюванні електронних ламп, конденсаторів, електронних лінз і т.п.), так як аналітичний розрахунок поля в загальному випадку нездійснений.

При цьому принципове значення має правило подібності потенціальних полів, яке дозволяє у великому масштабі відтворити поля, що досліджуються.
       Правило подібності стверджує, якщо розміри електродів, які створюють поле, і вся відстань між цими електродами змінені в однієї пропорції, то структура поля залишається незмінною.
       Експериментальне дослідження електростатичного поля в простіших випадках та опис його за допомогою вказаних характеристик (силових ліній і поверхонь рівного потенціалу) складає зміст даної роботи практикуму.

В нашій роботі - вивчення електростатичного поля, між системою електродів замінено вивченням електричного поля між цими ж електродами.

Як показує теорія, форма силових ліній та еквіпотенціальних поверхонь між двома ізольованими електродами (наприклад між пластинами конденсатора) практично не зміняються при заповненні простору між електродами слабо провідним середовищем (газ, рідина і т.п.).

В той же час вивчення поля у провідному середовищі істотно легше, ніж у непровідному, так як струмовимірювальна апаратура більш проста і мало реагує на побічні взаємодії - порівняно з електростатичною апаратурою.

 

Опис установки і методики виконання роботи

рис 3

   Установка для проведення роботи рис 3  являє собою дерев'яний пенал (1) зі скляною кришкою (2), дно якого застеленно спеціальним папером, що слабо проводить електричний струм (3). На папері встановлено площинні металеві електроди (4) різних форм, між якими підтримується постійна різниця потенціалів за допомогою джерела струму (5). Папір має незначну провідність порівняно з металом, з якого зроблені електроди, а тему електроди можна рахувати поверхнями рівного потенціалу (як у випадку електростатичного поля між електродами). Для вивчення розподілу потенціалів в полі (на папері) використовують чутливий вольтметр - (нуль - гальванометр) - ОБЕРЕЖНО З ПРИЛАДОМ! - (8).
          За допомогою двох металевих щупів, з'єднаних з вольтметром, відшукують на папері точки з однаковими потенціалами. При цьому слід знати, що щупи не вносять викривлення в картину розподілу потенціалів в полі, якщо :

Ø      вони нескінченно тонкі;

Ø      вони розташовуються вздовж ліній, які і до внесення щупів мали однакові потенціалами;

Ø      електричне коло щупів має великий опір порівняно з опором провідних шарів речовини між тими точками, в яких розташовані щупи.

            Для виконання завдані, зніміть скляну кришку, відкрив доступ до струмопровідного паперу. Встановіть на папері необхідні електроди на відстані 12-14 см один від одного, під'єднав їх до клем (6,7). Подайте до клем (10) напругу від 4 вольт від ЛИП. Один з щупів встановіть нерухомо на відстані 0.5 - 1 см від одного з електродів. За допомогою іншого щупа знайдіть на папері 7-8 точок, які мають той же потенціал, як і потенціал першої точки, і в даних місцях ставте, як позначки фішки.

           Таким чином, відмічається положення п'яти еквіпотенціальних ліній, одна із яких повинна знаходитись посередині між електродами. Після цього закрийте пенал скляною кришкою, на якій нанесена координатна сітка. Намалював в зошиті копію цієї системи координат, перенесіть координати фішок в зошит і за даними точок накресліть видимий малюнок ліній однакового потенціалу.

            Враховуючи ортогональність силових ліній і ліній однакового потенціалу, намалюйте картину силових ліній на цьому ж малюнку.

Знаючи різницю потенціалів між будь-якими наскільки задовго близькими точками електричного поля, можна знайти числове значення напруженості поля в даному місці:

де Е - напруженість поля;

- різниця потенціалів між точками поля, відстань між якими, що береться вздовж силової лінії, рівна напрузі що показує гальванометр (знаючи ціну поділки гальванометра та його чутливість можна дізнатися напругу)

 - відстань між точками;

        Знайдіть напруженість поля посередині між електродами. Для цього встановіть щупи на відстані 0,9 - 1 см один від одного вздовж силової лінії в центральній області поля і знайдіть різницю потенціалів. За формулою (1) обчисліть напруженість поля. Можна знайти напруженість поля в інших місцях.

 

 

Контрольні запитання

1)   Сформулюйте означення електричного заряду, електричного поля. Які властивості електричного поля Вам відомі?

2)   Запишіть означення відомих Вам характеристик електричного поля (напруженість та потенціал). Розкрийте фізичний зміст цих величин та вкажіть одиниці їх вимірювання в СІ. Що називають еквіпотенціальними лініями (поверхнями)?

3)   Сформулюйте та запишіть принцип суперпозицій для напруженості електричного поля.

4)   Вкажіть відомі Вам способи зображення електричного поля та які їх особливості.

 

 

 

Розв’яжіть тренувальні задачі

1)   Кульки маленького радіусу, заряди яких 4 мКл та (-6) мКл, розташовані на відстані 10 см одна від одної. Кульки привели в дотик і знов розсунули на попередню відстань. Знайдіть, на скільки зміниться при цьому потенціал електричного поля у точці, яка знаходиться посередині між кульками?

2)   Чотири заряди два по +20 нКл  та два по (-20) нКл  розташовані у вершинах квадрата зі стороною 10 см. Знайдіть напруженість електричного поля в точці перетину діагоналей квадрата? Розгляньте усі можливі варіанти розташування зарядів.

3)   Дві маленькі заряджені кульки розташовані на відстані 12 см одна від одної. Знайдіть напруженість електричного поля в точці, яка віддалена від кожної з них на 10 см. Розгляньте випадок, коли заряди обох кульок по +10 нКл. Знайдіть потенціал електричного поля у цій точці.

 

 

Хід роботи

1.      Експериментально дослідіть і замалюйте в зошиті картину еквіпотенціальних полів і силових ліній електричних полів, утворених електродами різних типів (рис 4 а-г), відповідно до інструкції наданої в теоретичних відомостях (розділ «Опис установки і методики виконання роботи»)

2.      Слідкуйте щоб ЛИП був ввімкнений тільки під час вимірів.

3.      Знайдіть напруженість поля в центральній області між електродами в кожному випадку.

 

А)	Б)	В)	Г)
рис 4