Теоретическое введение. Лабораторная работа N 17

Лабораторная работа N 17

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Цель работы

1. Ознакомление с основными величинами, характеризующими электростатическое поле: напряженностью и потенциалом.

2. Ознакомление с методикой практического исследования поля.

3. Построение качественной картины поля, создаваемого в пространстве двумя цилиндрическими электродами.

Теоретическое введение

Электрические заряды создают в окружающем пространстве электрическое поле, которое можно обнаружить и исследовать с помощью точечного пробного неподвижного заряда q₀, помещенного в ту или иную точку поля. Понятие "пробный заряд" означает, что этот заряд настолько мал, что внесение его в данную точку поля не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле, другими словами, пробный заряд не искажает исследуемое поле. Для простоты рассуждений пробный заряд будем считать положительным.

Электрическое поле в каждой точке пространства имеет две характеристики: силовую и энергетическую. Силовая характеристика поля называется напряженностью, обозначается буквой . Энергетической характеристикой поля является потенциал .

Напряженностью электрического поля называется векторная величина, равная силе , действующей в данной точке поля на единичный положительный заряд, помещенный в эту точку.

Согласно данному определению запишем формулу для нахождения напряженности электрического поля:

. (1)

Модуль вектора напряженности равен:

. (2)

Напряженность поля точечного заряда q найдем следующим образом: по закону Кулона вычислим силу взаимодействия заряда с пробным зарядом q₀

, (3)

где Ф/м - электрическая постоянная; - диэлектрическая проницаемость среды; r - расстояние между зарядами q и q₀.

Подставим (3) в (2) и получим значение напряженности поля точечного заряда

. (4)

В системе СИ напряженность измеряется в вольтах на метр (В/м). Графически электрическое поле изображается с помощью силовых линий и эквипотенциальных поверхностей.

Силовой линией (линией напряженности) называется такая линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности поля. Густота силовых линий пропорциональна численному значению напряженности поля в данной области. Пример силовой линии приведен на рис. 1.

Рис. 1. Силовая линия электрического поля

Линии напряженности поля не являются замкнутыми. Они выходят из положительного заряда и входят в отрицательный заряд.

Рис. 2. Схема линий напряженности и эквипотенциальных поверхностей точечных зарядов.

Рассмотрим энергетическую характеристику поля - потенциал. Потенциалом называется скалярная величина, численно равная работе сил поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки поля в бесконечность. Потенциал поля определен с точностью до аддитивной постоянной.

Используется также физическая величина, называемая разностью потенциалов . Разность потенциалов численно равна работе сил поля A по перемещению единичного положительного заряда из одной точки поля в другую:

. (5)

Потенциал поля точечного заряда в системе СИ рассчитывается по формуле:

. (6)

Единицей измерения потенциала в системе СИ служит вольт (В). Эквипотенциальной поверхностью называется геометрическое место точек, потенциалы которых одинаковы. Работа по перемещению заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю, поэтому линии напряженности поля в любой точке перпендикулярны к эквипотенциальной поверхности.

Рис. 3. Схема силовых линий электрического поля и эквипотенциальных поверхностей двух разноименных точечных зарядов

На рисунках 2, 3 сплошными кривыми показаны силовые линии электрического поля, пунктирными - эквипотенциальные поверхности с потенциалами . Направление силовых линий указано стрелками. Как видно из рисунков, путем построения картины силовых линий и эквипотенциальных поверхностей можно получить наглядную картину электрического поля.

Исследование поля в данной лабораторной работе заключается в измерении координат точек эквипотенциальных поверхностей и построении на миллиметровой бумаге или бумаге в клеточку эквипотенциальных поверхностей и силовых линий электрического поля.