Порядок выполнения работы

Для фиксации эквипотенциальных линий рекомендуют два метода. Первый  метод координат. На дне ванны имеется координатная сетка, с помощью которой электроды и найденные точки эквипотенциальных поверхностей изображаются на листе бумаги с аналогичной координатной сеткой, выполненной в определенном масштабе.

По второму методу электроды и найденные точки эквипотенциальных поверхностей изображаются (обводятся ручкой или мягким карандашом) непосредственно на листе бумаги, погруженном на дно ванны.

1. Собрать электрическую цепь по схеме рис.1.4 или рис.1.5 (включать только после проверки преподавателем или лаборантом).

2. Заполнить ванну водой ( 1 см). Установить параллельно друг другу два плоских электрода, предварительно погрузив на дно ванны лист бумаги (если выбран второй метод фиксации точек). Изобразите (обведите) положение электродов.

3. Измерить разность потенциалов _max между электродами Э₁ и Э₂: для схемы рис.1.4  прикоснуться зондом к электроду Э₂, для схемы рис.1.5  плавно повернуть до отказа по часовой стрелке ручку потенциометра.

4. Разность потенциалов  между соседними эквипотенциальными поверхностями и их число задается преподавателем.

5. Найти и изобразить 10 точек эквипотенциальной поверхности с потенциалом ₁ = : по схеме рис. 1.4 при помощи зонда Z и вольтметра, по схеме рис. 1.5 заданный потенциал устанавливается при помощи потенцио­метра и контролируется вольтметром. Искомые точки эквипотенциальной поверхности по схеме рис. 1.5 определяются перемещением зонда Z через те точки ванны, для которых ток, проходящий через нуль-гальванометр, или сигнал на осциллографе будут минимальными.

Аналогично найдите и изобразите точки эквипотенциальных поверхностей с потенциалами ₂ = 2, ₃ = 3 и т.д.

6. Достать из ванны лист бумаги и положить его на просушку, если точки отмечали непосредственно на этом листе на дне ванны. Погрузить на дно ванны новый лист бумаги.

7. При тех же положениях плоских электродов Э₁ и Э₂ поместить посередине между ними металлическое кольцо. Изобразить (обвести) его. Измерить потенциал электрического поля внутри и на поверхности этого кольца в нескольких точках. Измерения проводят аналогично п.3.

Убедиться, что потенциал поля во всех точках внутри кольца и на его поверхности один и тот же  _к. Найти и изобразить точки поля с таким же потенциалом за пределами кольца.

8. Аналогично п.5 найти и изобразить точки эквипотенциальных поверхностей с потенциалами _к  , _к  2, _к  3 и т.д., где _к – потенциал кольца, а   разность потенциалов между соседними эквипотенциальными поверхностями.

9. Достать из ванны лист бумаги и положить его на просушку. Погрузить на дно ванны новый лист бумаги. Установить в ванне кольцевые электроды (или другие по указанию преподавателя). Найти и изобразить точки эквипотенциальных поверхностей аналогично п. 5.

Обработка результатов измерений

1. На всех 3 листах бумаги с изображенными контурами электродов и точками эквипотенциальных поверхностей провести через эти точки пунктирные линии эквипотенциальных поверхностей и записать у каждой линии соответствующее значение потенциала.

2. Построить систему силовых линий, проведя их как сплошные линии перпендикулярно к эквипотенциальным поверхностям (пунктирным линиям), начиная каждую силовую линию на одном электроде и заканчивая на другом. Задать направление силовым линиям в сторону уменьшения потенциала.

3. Используя изображение поля между плоскопараллельными электродами, построить график зависимости потенциала поля  от расстояния n, отсчитываемого от электрода Э₁. Определить напряженность поля по формуле (1.10).

4. Используя изображение поля при наличии металлического кольца, определить напряженность поля внутри кольца по градиенту потенциала.

5. Определить зависимость поверхностной плотности индуцированных зарядов  на поверхности металлического кольца от угла где   угол между радиусом, проведённым к исследуемой точке поверхности кольца и направлением внешнего поля (рис. 1.6).

Рис. 1.6.

Для этого необходимо применить соотношение _Е, где Е  напряженность поля у поверхности кольца. Величину Е надо найти по градиенту потенциала, используя изображение построенного вами электрического поля,  = 81  диэлектрическая проницаемость воды, ₀  электрическая постоянная.

Расчёты провести для углов от 0⁰ до 360⁰ через 30⁰. Построить график зависимости .

Контрольные вопросы

1. Какое поле называется электростатическим? Что такое напряженность электростатического поля, в каких единицах она измеряется?

2. Выведите формулу напряженности поля точечного заряда.

3. Какое поле называется потенциальным, однородным, центральным? За­пишите условие потенциальности электростатического поля.

4. Что называется потенциалом. Выведите формулу потенциала точечного заряда.

5. Что называется градиентом потенциала и как он связан с напряженностью электрического поля?

6. При помощи силовых линий и эквипотенциальных поверхностей изобразите поле точечного заряда, поле равномерно заряженной плоскости, поле равномерно заряженного цилиндра.

7. Что такое явление электростатической индукции?

8. Как изменяется электростатическое поле при внесении в него проводника? Объясните результаты, полученные вами в п. 4 обработки результатов.

9. Сформулируйте теорему Гаусса. Применяя теорему Гаусса, докажите соотношение _Е.

10. Сформулируйте принцип суперпозиции полей.