Методика работы

Лабораторная работа ЭМК-2 К. Исследование электростатических полей

Цель работы: овладение одним из методов изучения электростатических полей, основанном на моделировании.

Задачи:

- построение эквипотенциальных поверхностей и силовых ли­ний исследуемого электростатического поля;

- определение напряженности электростатического поля.

Для описания сложных физических явлений широко применяются модельные эксперименты. При физическом моделировании объект исследования и модель имеют одинаковую физическую природу, характер самого явления сохраняется, но геометрические размеры натуры и модели различаются. Возможно также математическое моделирование различных по природе физических явлений, которые описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями и граничными условиями. В данной работе используется математическое моделирование электрического поля заряженных тел на основе того факта, что электрическое поле стационарного тока в слабо проводящей среде является потенциальным.

Подобие указанных полей вытекает из сопоставления следующих свойств:

1) Электростатическое поле потенциально [1], циркуляция вектора на­пряженности по замкнутому контуру равна нулю, т.е. Поле в проводящей однородной среде (без источников сторонних сил) также потенциально и или , т. к. согласно закону Ома , где – плотность тока; – электропроводность среды.

2) Подобны также и граничные условия. На границе раздела двух диэлек­триков тангенциальная и нормальная составляющие вектора напряженности электрического поля подчиняются условиям: , .

В проводящей среде непрерывность тангенциальных составляющих вектора плотности тока следует из потенциальности поля тока, а граничные условия для нормальных составляющих следуют из уравнения непрерывности .

Поэтому для изучения поля заряженных тел используется поле тока в слабо проводящей среде, например, электропроводная бумага, раствор электролита. При его моделировании силовым линиям электрического поля будут соответствовать линии тока, а поверхностям равного потенциала – поверхности равных напряжений. Напряжения различных точек модели можно измерить вольтметром или компенсационным методом. Для исследования распределения потенциала в стационарных полях тока используются вводимые в поле зонды, представляющие собой тонкие металлические стержни, надежно изолированные по всей длине, за исключением концов.

При моделировании применяются электроды, форма которых соответствует натуральным телам, но выполненные в ином (чаще, увеличенном) масштабе.