Методика эксперимента и описание установки

В этой работе исследуются электрические поля, создаваемые зарядами, распределенными на телах различных конфигураций при различном их расположении друг относительно друга. Подобная задача встает при конструировании электронных ламп, конденсаторов, систем фокусировки электронных пучков и т.д., когда необходимо знать значение основных характеристик электрического поля в пространстве между электродами сложной формы.

Аналитический расчет полей удается лишь для самых простых конфигураций электродов и в общем случае невыполним, поэтому сложные поля исследуются экспериментально. Для их изучения применяют метод моделирования электростатического поля в электролитической ванне.

Распределение потенциала в среде, по которой течет ток, можно сделать мало отличающимся от распределения потенциала в электростатическом поле; изменения же потенциалов в проводящей среде – несложная экспериментальная задача.

Как известно, в проводящей среде при прохождении по ней тока нет объемных электрических зарядов, благодаря чему наблюдается полная идентичность электростатического поля и электрического при наличии токов в однородном проводнике. Это позволяет заменить изучение электростатического поля изучением электрического поля при наличии тока в слабо проводящих электролитах. При подаче на электроды постоянного напряжения возникают электролизные явления, которые способны внести значительные искажения в картину поля, поэтому при испытаниях на лабораторных установках используют переменное напряжение.

Метод моделирования осуществляют следующим образом:

а) в слабо проводящей среде располагаются электроды определенной формы так, чтобы они в некотором масштабе воспроизводили местоположение электродов в реальном случае;

б) на электроды подают напряжение. При этом между электродами образуется электрическое поле, отличающееся от поля в реальном случае по числовым характеристикам, но с точностью до масштаба совпадающее с ним по конфигурации;

в) в пространстве между электродами вводят зонд – тонкую металлическую проволоку, связанную проводником с прибором, измеряющим потенциал в данной точке поля.

В ванну, изготовленную из материала с хорошими электроизоляционными свойствами, помещают металлические электроды Э₁ и Э₂, поле между которыми исследуют (см. рис. 3). Ванна заполнена жидким электролитом, проводимость которого мала по сравнению с проводимостью металла.

На электроды подается напряжение с понижающего трансформатора.

Рис. 3

С помощью зонда , внесенного в произвольную точку исследуемого поля, определяют значения разности потенциалов между электродом Э₁ и выбранной точкой поля M_i (рис. 3). Затем, перемещая зонд, отыскивают совокупность точек поля M_i с одинаковыми потенциалами. При проведении исследования электрического поля вид электродов может быть различным. Например, они могут иметь вид плоских пластин, двух шаров, шара и плоской пластины.

Порядок выполнения работы

1. Установите в электролитической ванне, заполненной водой, систему плоских параллельных электродов (см. рис. 3).

2. Включите установку и измерьте потенциалы поля между электродами и . Измеряйте потенциал на прямой, соединяющей середины электродов. Данные занесите в табл. 1.

Таблица 1

Расстояние от электрода Э1, см
Потенциал, В

3. По данным табл. 1 построить график зависимости потенциала  от расстояния r до одного из электродов.

4. Выберите не менее восьми точек, равноотстоящих от одного из электродов, и произведите измерения потенциалов в этих точках. Полученные данные занесите в табл. 2.

Таблица 2

Расстояние от электрода Э1, см
Потенциал, В

5. Для системы электродов, состоящей из шара и плоской пластины, найдите между электродами не менее восьми точек каждого потенциала из табл. 1 и их координаты, определенные по координатной сетке, данные занесите в табл. 3.

Таблица 3

Потенциал, В	Координаты x, y, см

6. По данным табл. 3 сделайте рисунок линий пересечения эквипотенциальных поверхностей с горизонтальной плоскостью, проходящей через электроды Э₁ и Э_2. Проведите линии напряженности к ним.