Электричество(методичка)

Э Л Е К Т Р И Ч Е С Т В О

лабораторный практикум

Часть 2

Учебно-методическое пособие для студентов специальностей: 020101 – химия

020201 – биология

020301 – геология

020302 – геофизика

020304 – гидрогеология

020306 – экологическая геология

020900 – физика, химия и механика материалов

Воронеж - 2009

1

СОДЕРЖАНИЕ

1.Работа № 5. Изучение электростатического поля…………………..4

2.Работа № 6. Определение удельного заряда электрона методом магнетрона……………………………………………………………12

3.Работа № 7. Исследование вольт-амперной характеристики

полупроводниковых диодов………..……………………………….18

4.Работа № 8. Изучение явления гистерезиса ферромагнетиков… 26

5.Список литературы ………………………………………………….40

3

РАБОТА № 5

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Цель работы: ознакомиться с основными характеристиками и способами описания электростатических полей, провести экспериментальное моделирование электростатических полей, создаваемых электродами, методом электролитической ванны.

Оборудование: установка ФЭЛ-8.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Электрические заряды создают в окружающем их пространстве электрическое поле, которое действует с некоторой силой F на любой заряд q, помещенный в произвольную точку поля, что и является основным признаком наличия поля. Если заряды-источники поля неподвижны, то говорят об электростатическом поле.

Основной количественной характеристикой электрического поля (его силовой характеристикой) является напряженность Е – векторная величина, определяемая как отношение силы F, действующей на заряд q, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда:

Если электрическое поле , в котором находится заряд q, создано другим зарядом Q, то сила F в (1) – это сила кулоновского взаимодействия этих двух зарядов (СИ):

где r – расстояние между зарядами, = 8,86 10-12 Кл В-1 м-1 – электрическая постоянная, диэлектрическая проницаемость среды – безразмерная величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия между двумя точечными зарядами в диэлектрической среде меньше чем сила их взаимодействия в вакууме (для любого диэлектрика , для вакуума = 1, для воздуха ). Из (1) и (2) следует, что напряженность поля точечного заряда в вакууме описывается формулой:

и, как видно из (3), изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от заряда-источника поля.

Направление вектора Е в данной точке поля, очевидно, совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, находящийся в этой точке.

4

величину вектора напряженности, условились считать, что напряженность поля численно равна количеству силовых линий, пересекающих поверхность единичной площади, расположенную в данном месте поля

положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах. Другая характеристика электрического поля (энергетическая) – это

потенциал , который в отличие от напряженности является скалярной величиной.

Если точечный заряд q перемещается в электростатическом поле из точки a в точку b (рис.1), то силы, действующие на него со стороны поля в каждой точке траектории, совершают над зарядом работу:

a

где F qE - это электрическая сила, действующая на заряд в каждой точке, а dl - это вектор малого перемещения заряда вдоль траектории. Для простоты будем считать, что поле создано неподвижным точечным зарядом Q. Тогда сила F в (4) – это сила кулоновского взаимодействия зарядов Q и q (см. формулу (2)).

5

Перемещение dl можно представить как сумму перемещений по

Поскольку на участках ds работа не совершается, то с учетом (2) и (5) из формулы (4) получим:

Из (6) видно, что работа по перемещению заряда q в поле заряда Q не зависит от формы пути, а зависит лишь от положения в поле начальной (ra) и конечной (rb) точек. Отсюда следует, что работа по перемещению заряда в электростатическом поле по любому замкнутому контуру равна нулю, что можно записать в следующем виде:

Поскольку q 0, то из (7) следует принципиальный для электростатического поля результат: циркуляция вектора

напряженности электростатического поля вдоль произвольного замкнутого контура равна нулю:

Полученные результаты (формулы (6)-(8)) свидетельствуют о том, что

электростатическое поле является потенциальным, а следовательно,

работа в нем может быть представлена как убыль потенциальной энергии:

где Wa и Wb значения потенциальной энергии заряда q в точках поля a и b. Сравнивая формулы (6) и (9) для работы, можно написать выражение для потенциальной энергии взаимодействия зарядов Q и q (или, другими

Индексы в (10) опущены, поскольку эта формула справедлива для любой точки поля.

Выражение (9) позволяет найти лишь изменение потенциальной энергии заряда q, но не ее абсолютное значение, которое может быть определено лишь с точностью до произвольной постоянной, добавление которой в правую часть (10) ничего не меняет при вычислении работы по

6

формуле (9). Поэтому, для того, чтобы определить абсолютное значение потенциальной энергии, надо условиться, в какой точке поля считать ее значение равным нулю. Из (10) видно, что потенциальную энергию следует считать равной нулю в бесконечно удаленной точке (r ® ¥ ).

Потенциальная энергия заряда q не может служить характеристикой поля, так как она зависит от самого заряда, но отношение W/q от q не зависит и поэтому является характеристикой самого поля. Это отношение называется потенциалом электрического поля:

В частности, потенциал поля точечного заряда в произвольной точке может быть найден по формуле:

Естественно, что абсолютная величина потенциала также определена с точностью до произвольной постоянной, т.е. зависит от выбора точки, в которой = 0. Обычно считают равным нулю потенциал бесконечно удаленной точки поля: = 0.

Работа сил любого электростатического поля по перемещению заряда q

откуда можно определить физический смысл разности потенциалов двух точек поля:

разность потенциалов двух точек поля - это физическая величина, численно равная работе по перемещению единичного положительного заряда из первой точки поля во вторую.

Аналогично определяется и физический смысл потенциала данной точки поля. Для этого надо положить, что вторая точка (конечная точка траектории) является бесконечно удаленной и, следовательно, для нее 2 = 0. Тогда в соответствии с (13):

потенциал данной точки поля – это физическая величина, численно равная работе по перемещению единичного положительного заряда из данной точки поля в бесконечность.

В системе СИ за единицу разности потенциалов принимается 1 вольт (В), т.е. разность потенциалов двух таких точек поля при перемещении между которыми заряда в 1 кулон совершается работа в 1 джоуль.

Совокупность всех точек поля, имеющих одинаковый потенциал ( = const), называется эквипотенциальной поверхностью. При перемещении заряда по эквипотенциальной поверхности работа не совершается.

7

Силовые линии поля всегда расположены перпендикулярно к эквипотенциальным поверхностям.

Две физические величины – вектор напряженности Е и потенциал ,

где ex , ey,ez - единичные орты координатных осей.

Если известна совокупность эквипотенциальных поверхностей, то можно по ней найти величину и направление напряженности поля. Для этого нужно построить систему силовых линий, проводя их так, чтобы они пересекали эквипотенциальные поверхности (эквипотенциальные линии на плоскости) под прямым углом. На рис. 3 показаны эквипотенциальные (пунктирные) и силовые (сплошные) линии электрического поля. Если потенциалы двух соседних эквипотенциальных поверхностей (линий), отстоящих друг от друга на расстояние d , равны 1 и 2, то абсолютное значение напряженности поля в этом месте будет:

8

Если эквипотенциальные поверхности проводить так, чтобы разность потенциалов между любыми соседними поверхностями была одинаковой, то напряженность поля будет тем больше, чем меньше расстояние между поверхностями.

Рис. 3.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Метод электролитической ванны, применяемый в данной работе, основан на использовании ионной проводимости электролитов. Можно показать, что электрические поля системы электродов одинаковы в вакууме и в электролите при условии одинаковости потенциалов электродов. Это можно объяснить следующим образом. Если токи стационарные, то распределение электрических зарядов в проводящей среде не меняется во времени, хотя и происходит движение зарядов. Это

9

обусловлено тем, что в каждой точке проводника на место уходящих зарядов непрерывно поступает такое же количество новых зарядов. Поэтому, в случае постоянного тока движущиеся заряды создают такое же поле, что и неподвижные заряды той же концентрации. Следовательно, электрическое поле проводника с постоянным током будет потенциальным, как и поле неподвижных зарядов (электростатическое).

Таким образом, задача об определении электростатического поля между электродами в вакууме может быть заменена задачей об определении электростатического поля, возникающего при прохождении тока через электролит.

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка показана на рис. 4. Она выполнена на базе микропроцессорной техники и снабжена цифровыми системами управления и измерения, а также жидкокристаллическим дисплеем.

В плоский сосуд (ванну) ВА с координатной сеткой на дне устанавливаются электроды А и С (катод и анод). Электроды являются сменными и позволяют моделировать электрическое поле, возникающее при различных конфигурациях анода и катода (цилиндр – цилиндр; плоский – цилиндр; плоский - плоский). Электроды подключаются к выходам «+» и «─» учебной установки соединительными проводами либо непосредственно, либо через дополнительные соединительные элементы (уголки) в зависимости от удобства эксплуатации (катод и анод выбираются произвольно). Затем дно сосуда заполняют водой. Заполнение рассчитывают таким образом, чтобы вода равномерно покрывала все дно. Электроды рекомендуется устанавливать на противоположных краях ванночки, однако положение можно изменять произвольно. Для измерения потенциала точки поля используется специально собранный цифровой измерительный вольтметр ИВ с высоким входным сопротивлением.

10