Общие сведения. Изучение электростатического поля методом моделирования

Изучение электростатического поля методом моделирования

Лабораторная работа № 1

Введение

Лабораторный практикум «Электричество и магнетизм. Часть I. «Электрическое поле» содержит описания лабораторных работ по электростатике и законам постоянного тока в различных средах.

Практикум соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и предназначен для студентов всех направлений, изучающих физику.

При подготовке к занятиям студент обязан составить конспект по теоретическому материалу, указанному в лабораторной работе.

Ряд рисунков и обозначений, приведенных в практикуме, может иметь некоторые отличия от используемого в работе оборудования в связи с его модернизацией.

При составлении сборника использованы методические указания к лабораторным работам, составленные: доц. Белобородовой Н.Н., доц. Лобановым В.М., ст. преподавателем Посняком В.К., ст. преподавателем Фахретдиновой Э. Ш.

Цель и задачи работы: Изучение законов электростатики, получение эквипотенциальных и силовых линий электрического поля для заданной конфигурации электродов, расчет напряженности электрического поля.

Взаимодействие между неподвижными заряженными телами осуществляется посредством электростатического поля. Характеристиками электростатического поля являются напряженность и потенциал. Напряженность является силовой характеристикой, так как определяет величину и направление силы, действующей на точечный положительный единичный заряд в данной точке поля:

. (1)

Потенциал является энергетической характеристикой, так как определяет потенциальную энергию взаимодействия точечного положительного единичного заряда с полем в данной точке:

. (2)

Электростатическое поле изображается линиями напряженности (силовыми линиями) и эквипотенциальными поверхностями. Линиями напряженности называются линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности в этой точке. Силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Эквипотенциальной поверхностью называется геометрическое место точек в электростатическом поле, имеющих одинаковый потенциал.

Напряженность и потенциал связаны формулой:

, (3)

где - градиент потенциала, - единичные векторы по осям X, Y, Z соответственно.

Для однородного электростатического поля, считая ось X направленной вдоль вектора напряженности, формула (3) принимает вид:

. (4)

Работа при движении заряда в электрическом поле равна:

. (5)

Из формулы (5) получаем, что при движении по эквипотенциальной поверхности const,работа равна нулю, т. e. силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

При изучении электростатического поля, созданного электродами различной конфигурации необходимо знать распределение силовых линий и эквипотенциальных поверхностей между ними. Для исследования электростатического поля пользуются электролитической ванной, заполненной слабым электролитом (не дистиллированной водой), или влажным песком, в котором расположены электроды, соединенные с источником постоянного тока.

Дата добавления: 2014-11-28