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)






ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ТОКА



В ТОНКОМ ПРОВОДЯЩЕМ СЛОЕ

Введение

 

При протекании электрического тока по проводнику, внутри проводника должно существовать электрическое поле.

Силовой характеристикой электрического поля является вектор напряженности Е.

Вектором напряженности в данной точке электрического поля называется векторная физическая величина, измеряемая силой, дейс­твующей на каждую единицу точечного положительного заряда, поме­щенного в эту точку,
и направленная в сторону силы, действующей на этот заряд

 

(1.1)

 

Единицей напряженности в СИ является В/м (вольт на метр). Графически электрическое поле изображается с помощью сило­вых линий.

Силовой линией называется воображаемая линия, проведенная в пространстве так, что касательная к ней в любой точке совпадает с направлением вектора напряженности в этой точке.

Энергетической характеристикой электрического поля является потенциал. Потенциалом данной точки поля называется физическая величина, измеряемая работой, которую совершают силы электричес­кого поля при перемещении единицы точечного положительного заряда из этой точки в бесконечность

 

(1.2)

 

Потенциал численно равен потенциальной энергии единичного положительного заряда в данной точке и является величиной скаляр­ной.

Единицей потенциала в СИ является В (вольт). Графически распределение потенциала изображается с помощью эквипотенциальных поверхностей.

Эквипотенциальной поверхностью называется поверхность, все точки которой имеют одинаковый потенциал. Очевидно, что линии напряженности электрического поля всегда перпендикулярны к экви­потенциальным поверхностям. Ток проводимости будет протекать по проводнику только в том случае, если в нем существует градиент потенциала grad φ.

Градиентом потенциала электрического поля в данной точке на­зывается вектор, численно характеризующий изменение потенциала по направ­лению
в сторону максимального возрастания потенциала

 

(1.3)

где n – нормаль к эквипотенциальной поверхности; изменение по­тенциала максимально вдоль нормали.

Напряженность электрического поля связана с градиентом по­тенциала очень важным соотношением

(1.4)

 

т. е. вектор напряженности электрического поля равен изменению потенциала, приходящемуся на единицу длины в направлении нормали к эквипотенциальной поверхности, и направлен в сторону максимально­го уменьшения потенциала (на что указывает знак «–»).



Если внутри потенциала существует градиент, т. е. создано электрическое поле, то свободные заряды получают дополнительно к тепловой некоторую скорость направленного движения.

Направленное движение электрических зарядов называется электрическим током.

Характеристиками электрического тока являются сила тока I и вектор плотности

Силой тока называется физическая величина, измеряемая заря­дом, переносимым за единицу времени через поперечное сечение про­водника

 

I = dq / dt. (1.5)

 

Вектором плотности тока называется вектор, измеряемый заря­дом, переносимым за единицу времени через единицу площади поверх­ности, расположенной перпендикулярно к скорости направленного движения зарядов,
и совпадающий по направлению со скоростью нап­равленного движения положительных зарядов (рис. 1.1)

 

(1.6)

 

Графически вектор плотности тока изображается с помощью ли­ний тока.

Линией тока называется воображаемая линия, в каждой точке которой вектор плотности тока направлен по касательной к ней. Ли­нии тока в проводниках практически совпадают с линиями напряжен­ности и, следовательно, перпендикулярны к эквипотенциальным по­верхностям.

Картина электрического поля внутри проводника с током может быть изображена с помощью эквипотенциальных поверхностей и перпендикулярных к ним токовых линий или линий напряженности.

При протекании тока по проводни­кам
произвольной формы в них образуют­ся неоднородные электрические поля различных конфигураций, эквипотенци­альные поверхности
и токовые линии ко­торых будут иметь различный вид. Век­тор напряженности поля и вектор плот­ности тока будут изменяться от точки к точке как по величине, так и по нап­равлению.

Для определения числового значения вектора плотности тока в различных точках проводника можно ис­пользовать закон Ома для плотности тока
(в дифференциальной фор­ме)



(1.7)

 

который связывает вектор плотности тока в данной точке проводника с вектором напряженности электрического поля в той же точке. Коэффициент пропорциональности между векторами плотности тока и напряженности σ – называется удельной электропроводностью про­водника.

 

Задача

Задачей данной работы является исследование электрического поля при течении тока в тонком проводящем слое.

Для этого необходимо:

1. Опытным путем получить расположение эквипотенциальных ли­ний для двух полей различной конфигурации.

2. По найденным эквипотенциальным линиям построить систему линий тока.

3. Для трех точек каждого поля указанных преподавателем, рассчитать напряженность электрического поля и величину вектора плотности тока по формулам (1.7) и (1.8)).

4. Для точки с наименьшей напряженностью или указанной преподавателем определить погрешность найденного значения вектора напряженности и вектора плотности тока.

5. На графике поля изобразить вектора напряженности в точ­ках, для которых они рассчитаны.

 

Описание установки

B данной работе электрический ток создается в тонкой прово­дящей бумаге путем наложения на нее электродов различной формы, соединенных с источником тока.

В зависимости от формы используемых электродов можно полу­чить поля, по форме эквивалентные полю двух разноименных точечных зарядов, полю плоского конденсатора и т. д.

На рис. 1.2 показаны возможные в данной работе варианты: а) два точечных электрода; б) два плоских электрода; в) точечный и плоский электроды.

Для исследования расположения эквипотенциальных линий ис­пользуется электрическая схема, изображенная на рис. 1.3. Как видно из рис. 1.3, в данной работе использована мостико­вая схема (рис. 1.4). Пренебрегая сопротивлением подводящих про­водов, имеем: АN, , СМ и МD – плечи моста;

 

 

Рис. 1.2

 

– его диагональ, в которую включен микроамперметр Г. Точка М характеризует положе­ние движка потенциометра R, а точка N – конец щупа, с помощью ко­торого будем отыскивать точки равного потенциала.

Для получения изображения поля под токопроводящую бумагу подкладываются копировальная бумага и лист белой бумаги, на кото­рую переносится графическое изображение поля.

Напряжение от источника 1 (рис. 1.5.) через выключатель 2 подводится
к клеммам 1 и 2. Затем напряжение подается на потенциометр (клеммы 3 и 4) и параллельную ему проводящую бумагу (клеммы 8 и 9 или и ).

С движка потенциометра R через клемму 5 напряжение подводится
к микроамперметру (клемма 6) и к концу щупа (клемма 7).

Положение движка потенциометра регулируется с помощью ручки потенциометра 10. Движок делит сопротивление потенциометра на две части СМ (R1) и МD (R2) (см. рис. 1.3 и 1.4). Точка соприкосновения щупа с проводящей бумагой делит на две части АN и NB с сопротив­лениями R3 и R4.

 

Методика измерений

 

Исследование расположений эквипотенциальных линий

 

Собрать на стенде схему, как указано на рис. 1.6. Ручку по­тенциометра 10 поставить в крайнее левое положение. После провер­ки схемы преподавателем, поставить выключатель 12 в положение «Вкл». Затем щуп 14 поставить вблизи клеммы 8 на расстоянии 5–7 мм от нее. Вращением ручки потенцио метра 10 необходимо добиться отсутствия тока в микроамперметре. Ток

Рис. 1.3 Рис. 1.4 Рис. 1.5

через прибор не будет про­текать, если потенциал точки N (см. рис. 1.3) будет равен потенци­алу точки М, то есть если падение напряжения на плече АN будет равно падению напряжения на плече СМ, как видим из нашей схемы, как и во всех мостиковых схемах, используется метод компенсации напряжений. Нажав на щуп, переносим точку N на белую бумагу. Да­лее, легко перемещая щуп по проводящей бумаге вверх и вниз от осе­вой линии АВ, определяем остальные точки N1, N2, ..., Nn, имеющие та­кой же потенциал, как точка М,
а, следовательно, и точка N (рис. 1.7). Точки нужно брать на расстоянии 1,5–2 см друг от друга, но не менее 8–10 точек при данном положении ручки потенциометра. Каждая точка переносится на белую бумагу нажатием щупа.

Для определения положения следующей линии равного потенциала нужно вернуть щуп в точку N (приблизительно), а затем не меняя положения ручки потенциометра, поместить щуп вправо так, чтобы стрелка микроамперметра отклонилась на определенное число делений х (по указанию преподавателя). На рис. 1.7 перемещаем щуп из точ­ки N в точку K. Перемещением ручки потенциометра 10 вновь добива­емся такого положения движка, при котором ток через амперметр протекать не будет. При этом новом положении движка находим точки K1, K2, ..., Kn, имеющие такой же потенциал, как и точка М` (см. рис. 1.3), следовательно, тока K. Подобным образом исследуется все расстояние между электродами.

При исследовании второго поля нужно перевернуть белую бумагу на другую сторону и провести исследование таким же методом. При исследовании поля плоских электродов следует обра­тить внимание на краевой эффект.


Эта страница нарушает авторские права

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