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.