Всякий электрический заряд изменяет свойства окружающего его пространства – создает в нем электрическое поле. Электрическое поле – особая форма материи, движения которой проявляются в пространстве в виде электрических сил, т.е. сил, действующих на электрические заряды.

Электрическое поле характеризуется в каждой своей точке двумя характеристиками: силовой – вектором напряженности  и энергетической -величиной потенциала φ.

 Напряженностью  электрического поля в данной точке называется физическая величина, численно равная силе F, с которой электрическое поле действует на единичный заряд q, помещенный в данную точку поля:

За единицу напряженности электрического поля в СИ принимается 1 .

Электрическое поле наглядно можно представить с помощью линий напряженности (силовых линий).

Силовой линией электрического поля называется линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности . Количество силовых линий, пронизывающих единицу поверхности перпендикулярной к линиям площади, равно численному значению вектора . Силовые линии электрического поля не замкнуты: они выходят из положительного заряда и уходят в бесконечность, либо, приходя из бесконечности, заканчиваются на отрицательном заряде.

     Потенциалом φ электрического поля в данной точке называется скалярная физическая величина, численно равная потенциальной энергии П, которой обладает единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля:

φ=

Единица потенциала в СИ: 1В=  

Один вольт – потенциал такой точки поля, в которой электрический заряд в 1 Кулон обладает потенциальной энергией в 1 Джоуль.

Потенциал и напряженность электрического поля связанны соотношением:

,

т.е. напряженность Е поля численно равна изменению потенциала dφ на единицу длины dr, отсчитанному в направлении, перпендикулярном к поверхности потенциала, и направлена в сторону убывания потенциала (знак минус).

Величина , характеризующая быстроту изменения потенциала в направлении, перпендикуляром к поверхности уровня потенциала, называется градиентом потенциала: .

Вектор напряженности электрического поля численно равен градиенту потенциала, но направлен в противоположную сторону, т.е. в сторону убывания потенциала.

Для графического изображения распределения потенциала в электростатическом поле пользуются системой так называемых поверхностей равного потенциала (эквипотенциальных поверхностей)

Эквипотенциальной называется поверхность, во всех точках которой потенциал одинаковый. Работа по перемещению заряда электрическим полем вдоль эквипотенциальной поверхности равна нулю. , т.к. . Это означает, что силы электрического поля направлены перпендикулярно эквипотенциальным поверхностям, т.е. силовые линии перпендикулярны (ортогональны) эквипотенциальным поверхностям.

При конструировании электронных ламп, конденсаторов, электрических линз и других приборов часто требуется знать распределение электрического поля в пространстве, заключенном между электродами сложной формы. Аналитический расчет поля удается только при самых простых конфигурациях электродов. Сложные электростатические поля исследуются экспериментально. Для измерений часто пользуются методом электролитической ванны.

Измерения в электролитической ванне производят с помощью электродов, форма которых воспроизводит натуру в некотором масштабе. Электроды располагают друг относительно друга так же, как они расположены в моделируемом приборе. На них подают потенциалы, равные натуральным или измененные в некотором отношении. При этом между электродами образуется поле, отличающееся от исследуемого по напряженности, но с точностью до масштаба совпадающее с ним по конфигурации.

В данной работе электрическое поле создается в приборе, который представляет собой электролитическую ванну, наполненную водой, в которую введены два плоских электрода. Поле между плоскими электродами, расположенными параллельно друг другу, можно считать однородным. Измерение потенциала данной точки поля токов, текущих между электродами, осуществляется при помощи зонда. При опускании в электролит зонд принимает потенциал того участка электролита, в который он помещен.

Если на зонд подать от потенциометра потенциал, отличный от потенциала участка электролита, в котором находится зонд, в цепи зонда потечет ток, который будет зарегистрирован гальванометром. При равенстве этих потенциалов в цепи зонда тока не будет. Вольтметр указывает потенциал зонда относительно потенциала одного из электродов, который можно условно принять за нулевой потенциал. Перемещая ползунок П потенциометра, можно изменять потенциал зонда от нуля до потенциала второго электрода.

 Для определения положения той или иной эквипотенциальной линии нужно с помощью ползунка П подать необходимый потенциал (соответствующий данной эквипотенциальной линии) на зонд и затем, перемещая зонд в ванне, найти геометрическое место точек участков электролита, для которых ток в цепи зонда будет равен нулю.

Меняя значения потенциала, подаваемого на зонд от потенциометра, и фиксируя эти значения с помощью вольтметра, можно найти необходимое число эквипотенциальных линий, семейство которых и является однозначной характеристикой исследуемого поля.

Для фиксации семейства эквипотенциальных поверхностей на бумаге пользуются пантографом. При перемещении зонда в электролитической ванне игла (карандаш) пантографа повторяет движение зонда, оставляя на бумаге след, совпадающий с траекторией зонда. Если зонд перемещается по эквипотенциальной линии, то и карандаш опишет на бумаге эту линию. Повторяя эти операции для различных значений потенциала на зонде, на бумаге получают изображение семейства эквипотенциальных линий исследуемого поля.

Порядок выполнения работы

1. Собрать цепь по схеме (рис 1)

2. Установить электроды согласно указаниям преподавателя.

3. Нанести с помощью пантографа на бумагу положение установленных электродов.

4. Установить зонд вблизи одного из электродов, а движок потенциометра около той его клеммы, которая соединена с этим электродом.

5. После проверки схемы преподавателем включить в сеть понижающий трансформатор.

6. Перемещая зонд, зарисовать положение эквипотенциальных линий, приписывая каждой линии соответствующие показание вольтметра. Линии снимать для значений потенциала, отличающихся на 0,5 В.

7. Повторить опыт для электродов другой формы.

8. По полученным семействам эквипотенциальных линий построить ортогональные им линии напряженности.

Контрольные вопросы

1. Что называется электрическим полем?

2. Что называется напряженностью электростатического поля?

3. Как направлены силовые линии электрического поля, создаваемого точечным зарядом?

4. Что называется потенциалом электростатического поля? В каких единицах он измеряется?

5. Какие линии называются эквипотенциальными, и как они проводятся относительно силовых линий?

6. Запишите формулы  для  потенциала и напряженности электростатического поля, создаваемого точечным зарядом. Начертите графики зависимостей значений напряженности и потенциала от расстояния между точкой и зарядом.

7. Запишите формулу, выражающую связь между потенциалом и напряженностью электростатического поля.

8. Используя полученное вами графическое изображение электростатического поля, определите среднее значение напряженности в точках, лежащих между двумя любыми эквипотенциальными линиями.   

    Литература [ 2,5,7]

                  Тр

                                                   П

     ~ 220 В                                              

                                         З   

Рисунок 1- Схема рабочей установки

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11