Изучение характеристик электростатического поля

Мультимедийное руководство к Лабораторной работе № 1 по курсу физики для студентов дистанционной формы обучения

Разработчик: старший преподаватель кафедры физики СибГУТИ Александр Иванович Стрельцов

Цель работы

• Изобразить графически сечение эквипотенциальных поверхностей электростатического поля, созданного заданной конфигурацией электрических зарядов
• Используя изображение эквипотенциальных поверхностей, построить силовые линии электростатического поля заданной конфигурации зарядов
• При помощи полученной картины силовых и эквипотенциальных линий проверить справедливость формулы связи напряжённости электрического поля с его потенциалом

Теоретическое введение

Краткие теоретические сведения об исследуемом физическом явлении

Электрический заряд

• В природе существует 4 вида фундаментальных взаимодействий физических тел: гравитационное, электромагнитное, слабое и ядерное. Наше исследование будет посвящено электромагнитному взаимодействию тел
• Чтобы иметь возможность вступать в электромагнитное взаимодействие, тела должны обладать особым физическим свойством – электрическим зарядом
• Электрический заряд характеризует вид и интенсивность взаимодействия тел. Поэтому он является физической величиной, у которой есть собственное обозначение – буква q и размерность – кулон (Кл)
• Экспериментально установлено, что в природе существует два вида электрических зарядов с противоположными свойствами. Их условно назвали положительными и отрицательными

Электрическое поле

• Электрические заряды не могут действовать друг на друга непосредственно. Действие одного заряда на другой осуществляется посредством электрического поля
• Электрическое поле – это структурная форма материи, с помощью которой осуществляется электромагнитное взаимодействие. Его основные свойства:
• Электрическое поле создаётся только электрическими зарядами и ничем другим
• Электрическое поле способно оказывать силовое воздействие на помещённый в него электрический заряд, что позволяет его обнаружить
• Электрическое поле, создаваемое неподвижными электрическими зарядами, называется электростатическим

• Отношение силы, действующей на заряд, помещённый в электрическое поле, к величине этого заряда, называется напряжённостью электрического поля:
• Вектор напряжённости электрического поля совпадает по направлению с вектором силы, действующей на положительный электрический заряд, помещённый в данную точку поля
• Таким образом, напряжённость электрического поля является его силовым параметром
• В системе единиц СИ напряжённость измеряется в вольтах, делённых на метр (В/м)

Силовые линии электрического поля

Геометрическая кривая, в каждой точке которой вектор напряжённости электрического поля направлен по касательной, называется силовой линией

• Силовые линии всегда начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных или уходят одним концом на бесконечность
• Силовые линии никогда не пересекаются между собой

Характер электрического поля

Однородное

• Силовые линии однородного поля:
• Направлены в одну и ту же сторону
• Параллельны между собой
• Расстояние между линиями одинаково

Неоднородное

• Если нарушается хотя бы одно из перечисленных слева условий, то электрическое поле будет неоднородным

Потенциал электрического поля

• Отношение потенциальной энергии заряда, помещённого в электрическое поле, к величине этого заряда, называется потенциалом электрического поля:
• Потенциал является скалярной величиной, способной принимать положительные, нулевые или отрицательные значения
• Таким образом, потенциал электрического поля является его энергетическим параметром
• В системе единиц СИ потенциал измеряется в вольтах (В)

Эквипотенциальные линии электрического поля

Геометрическая кривая, в каждой точке которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной линией

• Эквипотенциальные линии всегда замкнуты
• Эквипотенциальные линии никогда не пересекаются между собой

Связь между напряжённостью и потенциалом электрического поля

• Напряжённость электрического поля связана с его потенциалом соотношением:
• Градиент скалярной функции показывает направление её наиболее быстрого возрастания
• Знак «минус» появляется при выводе формулы из закона сохранения энергии и указывает на необходимость затрат энергии на совершение работы по перемещению заряда в электрическом поле
• Таким образом, силовые линии электрического поля будут направлены в сторону уменьшения его потенциала
• С другой стороны, мы знаем, что силовые линии направлены от положительных зарядов к отрицательным
• Сопоставление этих двух условий позволит нам экспериментально проверить записанную выше формулу, что и составляет основную цель нашей лабораторной работы

Взаимное расположение Силовых и эквипотенциальных линий электрического поля

• Так как при движении вдоль эквипотенциальной линии заряд проходит нулевую разность потенциалов, то работа при этом не совершается:

= 0

• По определению работы силы:
• Отсюда следует , что означает взаимную перпендикулярность силовых и эквипотенциальных линий в каждой точке электрического поля

Экспериментальная часть

Описание лабораторной установки

Реальная лабораторная установка

Внешний вид

Принципиальная схема

Виртуальная лабораторная установка

Программа-симулятор – это математическая модель, полностью отражающая исследуемые в лабораторной работе свойства реального электрического поля

Щёлкните здесь, чтобы запустить программу

Измерение потенциалов электрического поля

Проводим зондом-курсором вдоль горизонтальных линий слева направо и следим за показаниями вольтметра

Точки с целочисленными потенциалами отмечаем щелчком мыши

Таблица заполняется автоматически

Построение эквипотенциальных линий

Открываем графический редактор и вставляем туда снимок экрана программы

Отмечаем на координатной плоскости все точки с одинаковыми потенциалами по их координатам

Соединяем между собой плавной линией все такие точки – одна эквипотенциальная линия готова

Подписываем значение потенциала построенной эквипотенциальной линии

Аналогично строим остальные линии

Построение силовых линий

Силовые линии должны:

• Начинаться на положительно заряженном электроде и заканчиваться на отрицательно заряженном
• Пересекаться с эквипотенциальными линиями обязательно под прямым углом

Количество линий на диаграмме должно быть таким, чтобы на ней не оставалось больших неисследованных областей

Обработка полученных результатов

Анализ цели лабораторной работы и написание вывода по проведённому исследованию электростатического поля

Сопоставление теоретических данных с практическими результатами

• Целью работы была экспериментальная проверка формулы связи напряжённости электрического поля с его потенциалом:
• согласно которой силовые линии электростатического поля должны быть направлены в сторону наиболее быстрого убывания его потенциала
• С другой стороны, по определению, силовые линии должны начинаться на положительных электрических зарядах и заканчиваться на отрицательных
• Определив направление силовых линий, построенных на диаграмме, по каждому из перечисленных выше критериев, можно сделать вывод о справедливости проверяемой формулы

Написание Вывода о справедливости проверяемой формулы

Согласно формуле

• Силовые линии должны быть направлены в сторону наиболее быстрого убывания потенциала
• Силовые линии должны быть направлены от положительных зарядов к отрицательным

Если оба условия выполняются одновременно, то наша формула справедлива. Пишем об этом вывод

Выполнение первой части задания на этом завершено