Главная | Обратная связь

Краткие теоретические сведения

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

 

ЭЛЕКТРОСТАТИКА И ПОСТОЯННЫЙ ТОК

Методические указания к лабораторному практикуму

 

 

Омск

Издательство ОмГТУ

Составители:

Ласица Александр Михайлович, к.т.н., доцент

Шабалин Вениамин Петрович, к.т.н., доцент

Сидорова Евгения Анатольевна, к.ф.-м.н., доцент

Кондратьева Тамара Николаевна, старший преподаватель

 

 

Методические указания предназначены для студентов дневного и вечернего отделения. Они включают в себя описания лабораторных работ по физике к разделу «Электростатика и постоянный ток».

Подготовлены на кафедре «Физика» ОмГТУ и одобрены редакционно-издательским советом ОмГТУ.

Лабораторная работа № 3.21

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Цель работы:знакомство с моделированием электрического поля методом электролитической ванны.

Приборы и принадлежности: генератор многофункциональный АНР-1002, вольтметр переменного тока, ванна с электродами и соединительные провода.

Краткие теоретические сведения

Основная задача электростатики - нахождение напряженности электростатического поля во всех точках пространства. Для этого можно воспользоваться формулой связи между потенциалом и напряженностью

(1)

В реальных задачах, особенно при конструировании различных электронных и ионных приборов, теоретический расчет полей практически невозможен. Экспериментальное же исследование распределения потенциала внутри таких приборов также затруднено из-за невозможности введения зонда или малости деталей приборов. В таких случаях используется метод электролитической ванны.

В основе метода лежит математическая эквивалентность уравнений, описывающих распределение потенциала в электростатическом поле конденсатора и в поле стационарного тока в однородной слабо проводящей среде между такими же электродами.

Пусть в проводящей среде размещены два электрода, проводимость которых много больше проводимости среды. В этом случае можно считать, что поверхности электродов являются эквипотенциальными. Если поддерживать потенциалы электродов j₁ и j₂ постоянными, то в пространстве между электродами возникает стационарный электрический ток плотности . Условие стационарности тока: поток плотности тока через замкнутую поверхность равен нулю.

, (2)

Физический смысл условия стационарности достаточно прост: в любой замкнутый объем сколько зарядов входит, столько же и выходит. Следовательно, не возникает объемных зарядов, а потенциалы всех точек остаются постоянными.

В практической реализации метода электролитической ванны изготавливается увеличенная модель электродов прибора, которую помещают в слабо проводящую среду (например, водопроводную воду). Для полей, обладающих осевой симметрией, используется метод сечений. При этом достаточно исследовать поле в любой плоскости симметрии, проходящей через ось модели. Если на электроды подавать постоянное напряжение, то протекание тока будет сопровождаться электролизом и выделением составных частей электролита на электродах, что нарушает однородность электролита, приводит к поляризации электродов и искажению распределения потенциала между электродами. Поэтому на электроды подают переменное напряжение невысокой частоты и измеряют распределение потенциала в пространстве между электродами. При исследовании электростатических полей широко используется графический способ представления полей с помощью силовых линий и эквипотенциальных поверхностей. Вектор напряженности направлен в каждой точке силовой линии по касательной к ней. Поверхности равного потенциала φ=const называются эквипотенциальными. Силовые линии пересекают эквипотенциальные поверхности под прямым углом.