ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Филиал государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Уфимский государственный нефтяной технический университет»
в г. Салавате
( Филиал ГОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате)
Физика
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ МЕТОДОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Лабораторная работа №31
Исполнитель:
студент гр. БАЭ-11-21 Сергеев В.В.
Руководитель:
Ст.преподователь В.Г. Прачкин
Салават 2011
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ МЕТОДОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ
ЦЕЛЬ: построение картины силовых линий и эквипотенциальных поверхностей исследуемого электростатического поля, определение напряженности исследуемой точки поля.
ОБОРУДОВАНИЕ: генератор постоянных напряжений, слабопроводящая пластина с электродами, зонд, стрелочный вольтметр.
ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Комплекс состоит из блока генераторов напряжений, наборного поля, блока мультиметров, блока моделирования полей, набора миниблоков и набора слабо проводящих пластин с электродами.
Общий вид блока генераторов напряжений показан на рис. 1. Блок состоит из генератора напряжений специальной формы и генератора постоянных напряжений (регулируемый источник постоянного напряжения и два нерегулируемых источника стабилизированного постоянного напряжения).
Рис.1 Блок генераторов напряжений:
1 – индикатор перегрузки генератора
сигналов специальной формы;
2 – индикатор перегрузки регулируемого источника постоянного напряжения «0…+15В»;
3 – индикатор перегрузки стабилизированного напряжения «+15В»;
4 – индикаторы перегрузки стабилизированного напряжения «-15В»;
5 – индикатор частоты;
6 – индикатор выбранной формы сигнала;
7 – выход синхронизации осциллографа (прямоугольные импульсы «+5В»;
8 – кнопки переключения формы сигнала:
~ -синусоидальная;
- биполярные импульсы «0…+15В»;
- униполярные импульсы «0…+15В»;
9 – выходной сигнал генератора сигналов специальной формы;
10 – кнопки регулировки амплитуды сигнала генератора сигналов специальной формы;
11 – кнопки регулировки частоты от 50Гц до 20000Гц;
12 – регулируемое постоянное напряжение «0…+15В», максимально допустимый ток 0,3А;
13 – нулевой выход (земля);
14 – кнопки установки постоянного напряжения;
15 – индикатор постоянного напряжения на выходе регулируемого источника «0…+15В»
16 – стабилизированное напряжение «+15 В», максимально допустимый ток 0,3А;
17 – нулевой выход (земля);
18 – стабилизированное напряжение «-15В», максимально допустимый ток 0,3А;
19 – кнопка исходной установки блока генераторов:
Выходной сигнал источника постоянного напряжения (12) – 0В; выходной сигнал генератора сигналов специальной формы – синусоидальный, частота 500 Гц, амплитуда выходного сигнала (9)0В;
20 – выключатель питания («сети»).
Генератор сигналов специальной формы (гссф)
Генератор (см. рис.1) предназначен для получения сигнала частотой от 0,05 до 20 кГц различной формы и амплитуды. Генератор может выдавать три вида сигнала: синусоидальный (амплитуда -15…+15 В), биполярные импульсы (амплитуда – 15…+15В, ширина импульса равна половине периода), униполярные импульсы (0… +15 В, ширина импульса равна половине периода). Установку формы сигнала осуществляют кнопками 8. Частоту выходного сигнала (выход 9) регулируют кнопками 11, а амплитуду – кнопками 10. Значение частоты сигнала отображается на индикаторе 5. Для получения стабильного изображения сигнала на осциллографе в генераторе предусмотрены импульсы синхронизации (прямоугольные, заданной частоты, амплитудой +5 В, ширина импульса равна половине периода), которые можно снимать с выхода 7.
Генератор имеете защиту от перегрузки и индикаторы перегрузки 1. В случае срабатывания любого из индикаторов перегрузки необходимо выключить блок и выяснить причину срабатывания: проверить схему, уменьшить регулируемое напряжение.
Источники постоянного напряжения (ипн)
Источники постоянного напряжения (см. рис.1) предназначены для получения стабилизированного постоянного напряжения -15В, +15В (необходимо для работы индикатора тока, вакуумной лампы и датчика Холла), и регулируемого постоянного напряжения 0…+15В, которое регулируют кнопками 14.
Источники имеют защиту от перегрузки и индикаторы перегрузки 2,3,4. В случае срабатывания любого из индикаторов перегрузки необходимо выключить блок и выяснить причину срабатывания: проверить схему, уменьшить регулируемое напряжение.
Введение
Электрический заряд создает в окружающем пространстве поле - особую
форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между
электрическими зарядами. Пространство, в котором есть электрическое поле,
является областью проявления электрических сил. Электростатическое поле в каждой точке характеризуется значениями напряженности и потенциала φ, которые являются силовой и энергетической характеристиками поля в данной точке.
Электрическое поле можно изобразить графически с помощью силовых линий. Силовая линия - это линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с вектором напряженности электрического поля. Силовые линии не пересекаются, так как напряженность поля в каждой точке имеет одно определенное направление. Для графического изображения поля можно использовать либо силовые линии, либо эквипотенциальные поверхности. Эквипотенциальной поверхностью называют геометрическое место точек одинакового потенциала.
Рис.1. Картина эквипотенциальных и
силовых линий
Н а рис. 1 показаны силовые (сплошные) и эквипотенциальные (пунктирные) линии электростатического поля, созданного заряженной плоскостью и точечным зарядом. Эквипотенциальные линии изображены в сечении эквипотенциальных поверхностей плоскостью чертежа.
Эквипотенциальные поверхности проводят с одинаковым шагом ∆φ. Как и силовые линии, они не пересекаются, так как каждой точке поля соответствует только одно значение
Перемещение заряда вдоль эквипотенциальной поверхности не требует совершения работы: А=Q∙∆φ=0,так как ∆φ=0.
С другой стороны, работа силы F на элементарном перемещении dl
A= , (1)
откуда следует, что при F≠0 и dl≠0 величина cosα=0.
Это означает, что действующая на заряд сила перпендикулярна перемещению вдоль поверхности равного потенциала. Следовательно, силовые линии перпендикулярны любой эквипотенциальной поверхности (рис. 2).
Рис.2. Расположение силовых (сплошная) и эквипотенциальных (пунктирная) линий
Связь потенциала с напряженностью поля в данной точке выражается соотношением
, (2)
где
. (3)
Градиент функции φ (x,y,z) есть вектор, направленный в сторону максимального возрастания функции, модуль которого равен производной функции φ по тому же направлению:
, (4)
где n – единичная нормаль к эквипотенциальной поверхности.
Таким образом из выражений (2) и (4) следует, что вектор напряженности электрического поля в каждой точке численно равен быстроте изменения потенциала вдоль силовой линии и направлен в сторону убывания потенциала:
. (5)