Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Метод измерения и описание аппаратуры. Методические указания к лабораторным работам



МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра физики-2

 

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Часть I

Работы 14, 16, 17, 18

 

Методические указания к лабораторным работам

по дисциплине

«ФИЗИКА»

Москва— 2000


ISSNO 202—3205

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра физики-2

Утверждено

редакционно-издательским

советом университета

 

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Часть I

Работы 14, 16, 17, 18

 

Методические указания к лабораторным работам

по дисциплине

«ФИЗИКА»

для студентов I курса всех специальностей

Под редакцией проф. И.Г.БЕРЗИНОЙ,

проф. Н.Л.Пахомовой,

доц. Л.М.Касименко

Москва— 2000

 


 

УДК 537.8

М-54

 

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ, часть 1, работы 14,16,17, I8;

методические указания./Под род. И. Г. Берзиной, Н. Л. Пахомовой, доц. Л. М. Касименко.—М.: МИИТ, 2000,—33 с.

 

 

Методические указания составлены для студентов 1 курса всех специальностей.

 

 

Составители: Гринчар Н. А. (14), Колотилова В. Г. (16, 17), Государева Н. А., Наровская Н. П. (18).

 

© Московский государственный

университет путей сообщения

(МИИТ), 2000

 



Работа 14

ИЗУЧЕНИЕ ТОПОГРАФИИ

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

 

Цель работы. Опытное изучение топографии электростати­ческого ноля, т. е. изучение пространственного распределения и j в зависимости от формы электродов и их расположе­ния.

Введение

Электростатическим полем называют электрическое поле, созданное зарядами, неподвижными в данной системе отсчета.

Основными характеристиками электрического поля явля­ются: вектор напряженности и потенциал j.

Напряженностью в какой-либо точке электрического поля называется вектор , численно равный силе, с которой это поле действует на единичный точечный положительный заряд, поме­щенный в данную точку ноля и направленный в сторону дей­ствия силы:

,

где — напряженность; — сила; q— единичный положи­тельный точечный заряд. При этом полагается, что внесение такого за­ряда во внешнее поле не иска­жает его. Такой заряд называют пробным. Напряженность является силовой характеристикой электрического поля.



Потенциалом j данной точки поля называется скалярная величина, численно равная величине потенциальной энергии, которой обладает в данной точке поля единичный положительный пробный точечный заряд, отнесенный к величине этого заряда:

,

где Wn — потенциальная энергия этого заряда.

Потенциал - энергетическая характеристика поля. Графически электростатические поля изображаются силовыми линиями и эквипотенциальными поверхностями (или линиями).

Силовыми линиями электрического поля называются кривые, касательные к которым в каждой точке совпадают по направлению с вектором напряженности электрического по­ля. Силовым линиям приписывается направление: силовые линии начинаются на положительном заряде и заканчиваются на отрицательном (или уходят в бесконечность), либо прихо­дят из бесконечности и заканчиваются на отрицательном за­ряде. Силовые линии не пересекаются между собой. Это сле­дует из определения вектора как однозначной силовой ха­рактеристики каждой точки поля. Густота силовых линий обычно выбирается так, чтобы число силовых линий, прохо­дящих через единичную площадку, перпендикулярную к си­ловым линиям, было пропорционально напряженности поля, которое в пределах площадки постоянно.

Эквипотенциальная поверхность (поверхность равного по­тенциала) представляет собой геометрическое место точек с одинаковым потенциалом. Напряженность электрического поля и потенциал j связаны между собой соотношением

или , (1)

где El — проекция вектора на произвольное направление l: gradj — вектор градиент потенциала j. Знак минус ука­зывает на то, что вектор направлен в сторону убывания по­тенциала; силовые и эквипотенциальные линии ортогональны. Градиент функции j (х, у, z) в декартовой системе коорди­нат может быть записан в виде

,

где , , — единичные векторы, т. е. орты соответствующих координатных осей; , , - частные производные j.



По абсолютной величине градиент потенциала равен

Из условия ортогональности силовых и эквипотенциаль­ных линий следует, что для графического описания поля до­статочно каким-либо образом определить положение только эквипотенциальных поверхностей и затем, пользуясь этим условием, построить силовые линии.

Можно математически решить задачу о распределении в пространстве вектора напряженности и потенциала j, найдя аналитические зависимости и j как функции координат x, y, z. Однако математический расчет электрического поля, создаваемого несколькими заряженными телами сложной конфигурации, иногда трудно осуществить, поэтому находят это распределение опытным путем - методом электролитической ванны. При этом следует помнить, что графическое изображение в данном случае является плоским, так как проводятся только те силовые линии, которые лежат в плоскости чертежа. Эквипотенциальные поверхности графически изображаются линиями их пересечения с плоскостью чертежа.

Из вышеизложенного следует, что если известно распределение эквипотенциальных линий в данном поле, то можно получить его изображение с помощью силовых линий и наоборот. Следовательно, можно получить наглядную картину распределения напряженности электрического поля, т.е. топографию электрического поля. В данной работе требуется опытным путем выявить расположение эквипотенциальных линий нескольких видов полей и затем изобразить поля силовыми линиями.

Метод измерения и описание аппаратуры

 
 

Экспериментальное изучение электростатического поля в вакууме связано с рядом практических трудностей. Поэтому используется аналогия, существующая между электростати-

5 Рис 1.


ческим полем, созданным заряжен­ными телами данной формы в вакууме, и электрическим полем этих заряженных тел, погруженных в слабый электролит, имеющий однородную небольшую проводимость. Как показали специальные исследования, эта замена возможна при соблюдении следующих условий: размеры ванны должны быть в несколько раз больше размеров элек­тродов и расстояний между ними, в противном случае, будет проявляться искажающее влияние стенок ванны.

Рис. 2
Для изучения распределения потенциала между электро­дами в электролите применяется установка, называемая элек­тролитической ванной. Установка (рис. 1) состоит из ванны В с электролитом, электродов Э1 и Э2, зонда З, скрепленного с пантографом П, индикаторного устройства ИУ и блока пита­ния Б. позволяющего менять напряжение между электрода­ми. Ванна изготовлена из диэлектрика. Электролитом яв­ляется водопроводная вода.

Принцип задания потенциала эквипотенциальных поверх­ностей может быть понят с помощью следующей упрощенной мостиковой схемы (рис. 2), которую с некоторым приближе­нием можно считать эквивалентной более сложной монтажной электрической схеме прибора. Постоянная разность по­тенциалов подается на клеммы K1 и К2 реохорда, имею­щего постоянное сопротивление R. В точке D находится движок, скрепленный с ручкой реохорда вольтметра PB (рис.1). На рис. 2 ручка РВ не показана. Движок D соединен через ин­дикаторное устройство ИУ, с зондом З, помещаемым строго вертикально в электролит ванны В. Клеммы К1 и К2 соеди­нены с электродами Э1 и Э2 также размещаемыми в ванне В.

Эквипотенциальные линии определяют с помощью зонда З. Поворотом ручки реохорд-вольтметра РВ задают определенный потенциал и находят зондом З в ванне точки, соответствующие этому потенциалу. При этом стрелка ин­дикаторного устройства ИУ должна находиться на делении «ноль».

Сопротивление R - одна ветвь мостиковой схемы, дру­гая ветвь - сопротивление электролита между электродами Э1 и Э2. Диагональю мостиковой схемы является ветвь, в ко­торую включено индикаторное устройство ИУ и зонд З.

Индикатором может быть катодный вольтметр, телефон, осциллограф, нуль-гальвано­метр. В данной установке в качестве индикаторного устрой­ства применяется ноль-гальванометр типа М-273/1 с малым сопротивлением. При таком расположении стрелки индика­торного устройства ИУ потенциал jD точки D будет равен потенциалу jЗ точки З.

При данном потенциале точки D перемещением зонда З в ванне находят другие точки, имеющие такой же потенциал, добиваясь, чтобы стрелка ноль-гальванометра показывала ноль.

Поворачивая ручку реохорд-вольтметра РВ, меняем поло­жение движка D, а следовательно, и потенциал точки D; и снова перемещением зонда З в ванне находим точки, имею­щие такой же потенциал. В работе для переноса на бумагу картины распределения эквипотенциальных линий поля в натуральную величину или с изменением масштаба, используется прибор, называемый пантографом (см. рис. 1). Пантограф П состоит из четырех шарнирно-скрепленных между собой рычагов, укрепленных на колонке. При перемещении зонда З внутри ванны с электролитом вдоль эквипотенциальной ли­нии отмечают на бумаге иглой И, укрепленной на пантогра­фе, ряд точек, соответствующих данной эквипотенциальной линии. Точки, отмеченные иглой И, обводят карандашом и со­единяют линией, которая является эквипотенциальной. Бу­мага на доске пантографа крепится с помощью съемной рам­ки Р. Бумага должна быть миллиметровой или клетчатой.

Приборы и принадлежности: электролитическая ванна с пантографом и зондом, электроды, ноль-гальвано­метр типа М 273/1, блок питания.

Порядок выполнения работы

1. Устанавливают электроды в ванне так. чтобы они были погружены в воду на 2—3 мм и удалены друг от друга и сте­нок ванны на расстояние не менее 7—10 см.

2. Нa столе пантографа с помощью съемной рамки Р ук­репляют лист бумаги. Его устанавливают так, чтобы при по­мещении зонда в центр ванны игла находилась над центром листа бумаги, а при движении иглы вдоль края бумаги зонд двигался вдоль стенки ванны. Отмечают положение электродов на листе бумаги. Для этого, не включая напряжения, приближают зонд вплотную к электроду последовательно в нескольких

точках и иглой И, укрепленной на другом конце пантографа, отмечают эти точки на бумаге. По ним прочерчи­вают линию, изображающую пересечение электрода с поверх­ностью воды.

3. Находят эквипотенциальные линии электрических полей при различных электродах (форма и расположение электродов задаются преподавателем). Для этого включают установ­ку тумблером Т1 (см. рис. 1). Устанавливают тумблер Т2 в положение «грубо». Ручку реохорд-вольтметра РВ переводят в положение «ноль». Перемещая зонд в электролитической ванне, устанавливают его так, чтобы стрелка вольтметра на­ходилась на нуле. В этом случае зонд находится в точке с нулевым потенциалом. Иглой пантографа на листе бумаги отмечают соответствующую точку и обводят ее карандашом. Затем зонд перемещают в другие точки так, чтобы стрелка ноль-гальванометра оставалась в положении «ноль», иглой отмечают соответственно точки на бумаге. Намеченные на бу­маге точки соединяют карандашом. Полученная линия соот­ветствует линии с потенциалом равным нулю. Далее ручку рео­хорд-вольтметра устанавливают в положение «0,5 вольта». Перемещают зонд так, чтобы стрелка ноль-гальванометра устанавливалась снова в нулевое положение. Иглой отмечают полученную точку, соответствующую потенциалу 0,5 В, на листе бумаги. Изменяя положения зонда, но так, чтобы стрел­ка ноль-гальванометра оставалась в нулевом положении, фиксируют на листе бумаге соответствующие точки. Полу­чают эквипотенциальную линию с потенциалом 0,5 В. Затем, последовательно устанавливая ручку реохорд-вольтметра в положения 1 В; 1,5 В; 2 В и т. д., получают необходимое ко­личество эквипотенциальных линий (не менее пяти линий).

4. Снимают лист с уже проведенными эквипотенциальны­ми линиями и отмеченными потенциалами и проводят сило­вые линии.

5. Используя сетку, находящуюся на дне ванны, рассчи­тывают масштаб полученного изображения поля.

6. Производят расчет напряженности электрического по­ля вблизи двух выбранных точек (точки указываются препо­давателем) и указывают направление напряженности.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется электростатическим полем?

2. Что называется напряженностью электрического поля?

3. Что называется потенциалом электрического поля?

4. Как связаны между собой напряженность поля и потенциал?

5. Нарисуйте эквипотенциальные поверхности поля точечного заряда, поля плоскости и плоского конденсатора.

6. В чем сущность метода электролитической ванны?

7. Укажите примеры, где видна необходимость изучения топографии электростатического поля.

8. Чему равна работа перемещения заряда вдоль эквипотенциальной линии?

9. Какое направление имеет силовая линия?

10. Какое поле называется однородным?

11. Как рассчитать напряженность однородного электрического поля?

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Савельев И, В. Курс физики,—Т. II. - М.. «Наука»,—

1989.

2. Детлаф А. А., Яворский Б. М., Милковская Л. Б. Kуpc физики.—М.: Высш. шк. 1988.—Т. 2.

3. Физический энциклопедический словарь. — М., «Советская энциклопедия». - 1984.

4. Козлов В И. Общий физический практикум.—М.—Издательст­во МГУ.— 1987.

 

 


Работа 16

 


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2019 год. Все права принадлежат их авторам!