Экспериментальные исследования электростатических полей с помощью электролитической ванны (№24)

Нижегородский  Государственный Технический Университет.

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа по физике №2-24.

 

Экспериментальные исследования электростатических полей с помощью электролитической ванны

Выполнил студент

Группы 99 – ЭТУ

Наумов Антон Николаевич

Проверил:

Н. Новгород 2000г.

Цель работы: изучение метода моделирования электростатических полей в электролитической ванне и исследование их характеристик в пространстве между электродами различной формы.

 

Теоретическая часть.

Электростатическое поле - поле, создаваемое покоящимися электрическими зарядами.

Характеристиками этого поля являются напряженность  и потенциал j, которые связаны между собой следующим соотношением:   .

В декартовой системе координат: , где единичные орты.

Удобной моделью электрического поля является его изображение в виде силовых и эквипотенциальных линий.

Силовая линия - линия, в любой точке которой направление касательной совпадает с направлением вектора напряженности

Эквипотенциальная поверхность - поверхность равного потенциала.

 На практике электростатические поля в свободном пространстве создаются заданием на проводниках - электродах электрических потенциалов.

 Потенциал в пространстве между проводниками удовлетворяет уравнению Лапласа:.

 В декартовой системе координат оператор Лапласа: .

Решение уравнения Лапласа с граничными условиями на проводниках единственно и дает полную информацию о структуре поля.

 

Экспериментальная часть.

Схема экспериментальной установки.

Методика эксперимента:

В эксперименте используются следующие приборы: генератор сигналов Г3 (I), вольтметр универсальный B7 (2) c зондом (3), электролитическая ванна (4) с набором электродов различной формы (5).

Устанавливаем в ванну с дистилированной водой электроды. Собираем схему, изображенную на РИС. 1. Ставим переключатель П в положение “U”. Подготавливаем к работе и включаем приборы. Подаем с генератора сигнал частоты f=5 кГц и напряжением U=5 В, затем ставим переключатель П в положение “S”. Далее, помещаем в ванну электроды различной формы ( в зависимости от задания ) и затем, водя по ванне зондом, определяем 4 - эквипотенциальные линии: 1B, 2B, 3B, 4B. И так далее для каждого задания.

Задание №1. Исследование электростатического поля плоского конденсатора.

Таблица 1. Зависимость потенциала j от расстояния.

j = j (x),В

x

y

j = j (x),В

x

y

j = j (x),В

x

y

j = j (x),В

x

y

0

-11

0

1,38

-5

0

2,88

1

0

4,34

7

0

0,14

-10

0

1,62

-4

0

3,13

2

0

4,57

8

0

0,37

-9

0

1,88

-3

0

3,40

3

0

4,8

9

0

0,62

-8

0

2,14

-2

0

3,65

4

0

4,99

10

0

0,82

-7

0

2,37

-1

0

3,88

5

0

4,99

11

0

0,1

-6

0

2,64

0

0

4,10

6

0

 

 

 

 

Таблица 2. Эквипотенциальные линии.

j = j (x),В

x

y

j = j (x),В

x

y

j = j (x),В

x

y

j = j (x),В

x

y

1

-5,7

9

2

-1,6

9

3

2,6

9

4

6,6

9

1

-5,8

6

2

-1,5

6

3

2,5

6

4

6,4

6

1

-5,7

3

2

-1,5

2

3

2,5

3

4

6,5

3

1

-5,7

0

2

-1,5

0

3

2,5

0

4

6,5

0

1

-5,7

-3

2

-1,5

-3

3

2,6

-3

4

6,5

-3

1

-5,7

-6

2

-1,5

-6

3

2,6

-6

4

6,5

-6

1

-5,8

-9

2

-1,5

-9

3

2,6

-9

4

6,5

-9

 

Обработка результатов измерений.

1). График зависимости .

2). Зависимость .

при x<0               

при   

при x>x₂              

3). Погрешность измерения Е:

.

Е = (Е ± dЕ) = (25 ± 0,15)

4). Силовые и эквипотенциальные линии электростатического поля плоского конденсатора

5). Задача №1.

         

         

 

6). Задача №2.

          ;    

         

Задание №2. Исследование электростатического поля цилиндрического конденсатора.

Радиусы цилиндров A =3,5 см, В=8,8см

Таблица 3. Зависимость

j=j(r),В

r,см

j=j(r),В

r,см

0,06

0

2,84

6

0,05

1

3,65

7

0,05

2

4,32

8

0,05

3

4,85

9

0,82

4

4,86

10

1,96

5

 

 

Таблица 4. Эквипотенциальные линии.

j=j(x,y)

x

y

j=j(x,y)

x

y

j=j(x,y)

x

y

j=j(x,y)

x

y

1

4

0

2

4,9

0

3

6,2

0

4

7,4

0

1

3,5

2

2

4,6

2

3

5,5

3

4

6,9

3

1

2,6

3

2

3

4

3

3,6

5

4

4,5

6

1

0

3,9

2

0

5

3

0

6,2

4

0

7,6

1

-2,6

3

2

-3,1

4

3

-3,7

5

4

-7

3

-3,6

2

2

-4,7

2

3

-5,5

3

4

-4,7

6

1

-4,2

0

2

-5,1

0

3

-6,3

0

4

-7,6

0

1

-3,7

-2

2

-4,8

-2

3

-5,3

-3

4

-6,8

-3

1

-2,9

-3

2

-3,2

-4

3

-3,6

-5

4

-4

-6

1

0

-4

2

0

-5,1

3

0

-6,2

4

0

-7,5

1

2,8

-3

2

-3

-4

3

3,6

-5

4

4,1

-6

1

3,6

-2

2

-4,7

-2

3

5,5

-3

4

7

-3

1). График  зависимости j=j(r)

2). График зависимости j=j(ln r)

3). График зависимости E = E (r).

4). График зависимости E = E (1/r).

5). Эквипотенциальные линии.

6). Расчет линейной плотности t на электроде.

7). Задача №1.

            L = 1м

8). Задача №2.

            r₁ = 5см, r₂ = 8см, l = 0,1м

               

           

Задание №3. Исследование электростатического поля вокруг проводников.

Таблица №5.

j=j(x,y)

x

y

j=j(x,y)

x

y

j=j(x,y)

x

y

j=j(x,y)

x

y

1

-3,6

8

2

0,8

8

3

5,9

9

4

7,2

3

1

-3,7

7

2

0,7

7

3

5,7

8

4

5,9

2

1

-3,7

6

2

0,5

6

3

5,2

7

4

5,4

1

1

-4

5

2

0,3

5

3

4,7

6

4

5,2

0

1

-4,7

4

2

0,2

4

3

4,4

5

4

5,4

-1

1

-5

3

2

0,1

3

3

4,1

4

4

6,2

-2

1

-5,2

2

2

0,6

-3

3

3,9

3

4

7,6

-3

1

-5,2

1

2

0,7

-4

3

3,8

2

 

 

 

1

-5

0

2

1

-5

3

4,1

-2

 

 

 

1

-4,9

-1

2

1,2

-6

3

4,4

-3

 

 

 

1

-4,7

-2

2

1,4

-7

3

4,8

-4

 

 

 

1

-4,4

-3

2

1,5

-8

3

5,5

-5

 

 

 

1

-4,2

-4

2

1,6

-9

3

6

-6

 

 

 

1

-4

-5

 

 

 

3

6,7

-7

 

 

 

1

-3,7

-6

 

 

 

3

7,3

-8

 

 

 

1

-3,6

-7

 

 

 

3

7,7

-9

 

 

 

1). Потенциал на электродах: пластинке и втулке постоянен, то есть они являются эквипотенциальными поверхностями. Внутри полости потенциал также постоянен.

Таблица 6.

j=j(x,y)

x

y

1,97

-3

0

1,95

3

0

1,96

2

-1

1,95

-3

-2

1,95

0

0

1,96

-1

0

2). Распределение потенциала вдоль линии, охватывающей пластинку и расположенной на расстоянии

L = 3 мм от её края.

Таблица 7.

  j=j(x,y)

x

y

3,05

4

0

1,2

-4,2

0

1,92

0

-2,5

1,99

0

2

1,5

-3

2,1

1,31

-3

2,23

2

-2

2,3

2

15

3). Эквипотенциальные линии.

   

 

4). Определение средней напряженности поля в нескольких точках вдоль силовой линии.

.

а).

б).

в).

5). , .

Таблица 8.

X, см

y, см

s, Кл/м²

E, В/м

w, Дж/м³

4

0

3,24×10^-9

366,6

5,95×10^-7

-4,2

0

2,21×10^-9

250

2,77×10^-7

0

-5

8,85×10^-11

10

4,43×10^-10

0

2

1,18×10^-10

13,3

7,82×10^-10

-3

2,7

1,33×10^-9

150

9,96×10^-8

-3

-3

1,9×10^-9

213

2,00×10^-7

2

-2

8,23×10^-10

93

3,80×10^-8

2

1,5

1,02×10^-9

116

5,95×10^-8

 

 

 

 

Вывод.  В ходе работы получены картины силовых и эквипотенциальных линий  плоском и цилиндрическом конденсаторах, а также вокруг проводника, помещенного в электростатическое поле. Установлено, что проводники и полости внутри них в электростатическом поле являются эквипотенциальными поверхностями.

В плоском конденсаторе поле сосредоточено между пластинами, оно является однородным, а потенциал изменяется линейно.

В цилиндрическом конденсаторе поле также сосредоточено между пластинами, его напряженность обратно пропорциональна расстоянию от оси конденсатора до точки измерения. Потенциал изменяется логарифмически.

Поток вектора напряженности поля через коаксиальные с электродами цилиндрические поверхности постоянен, что совпадает с теоретическими предположениями (теорема Гаусса).