Лабораторная работа по дисциплине «Физика» для УГНТУ

ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ» Комплекс состоит из блока генераторов напряжений, наборного поля, блока мультиметров, блока моделирования полей, набора миниблоков и набора слабо проводящих пластин с электродами. Общий вид блока генераторов напряжений показан на рис. 1. Блок состоит из генератора напряжений специальной формы и генератора постоянных напря¬жений (регулируемый источник постоянного напряжения и два нерегулируемых источника стабилизированного постоянного напряжения). Генератор сигналов специальной формы (ГССФ) Генератор (см. рис.1) предназначен для получения сигнала частотой от 0,05 до 20 кГц различной формы и амплитуды. Генератор может выдавать три вида сигнала: синусоидальный (амплитуда -15…+15 В), биполярные импульсы (амплитуда – 15…+15В, ширина импульса равна половине периода), униполярные импульсы (0… +15 В, ширина импульса равна половине периода). Установку формы сигнала осуществляют кнопками 8. Частоту выходного сигнала (выход 9) регулируют кнопками 11, а амплитуду – кнопками 10. Значение частоты сигнала отображается на индикаторе 5. Для получения стабильного изображения сигнала на осциллографе в генераторе предусмотрены импульсы синхронизации (прямоугольные, заданной частоты, амплитудой +5 В, ширина импульса равна половине периода), которые можно снимать с выхода 7. Генератор имеете защиту от перегрузки и индикаторы перегрузки 1. В случае срабатывания любого из индикаторов перегрузки необходимо выключить блок и выяснить причину срабатывания: проверить схему, уменьшить регулируемое напряжение. Источники постоянного напряжения (ИПН) Источники постоянного напряжения (см. рис.1) предназначены для получения стабилизированного постоянного напряжения -15В, +15В (необходимо для работы индикатора тока, вакуумной лампы и датчика Холла), и регулируемого постоянного напряжения 0…+15В, которое регулируют кнопками 14. Источники имеют защиту от перегрузки и индикаторы перегрузки 2,3,4. В случае срабатывания любого из индикаторов перегрузки необходимо выключить блок и выяснить причину срабатывания: проверить схему, уменьшить регулируемое напряжение. Блок моделирования полей Блок моделирования полей (рис 2) предназначен для исследования моделей электрических полей, создаваемых электрическими токами в слабопроводящих средах. Рисунок 2 Блок моделирования полей. 1 – слабопроводящая пластина для имитации электрического поля с электродами и координатной сеткой; 2 – крепление пластины; 3 – входы для подключения зонта (щупа); 4 – входы для подключения вольтметра; 5 – вход для подключения регулируемого источника постоянного напряжения 6 – нулевой выход (земля) Введение Электрический заряд создает в окружающем пространстве поле — особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрическими зарядами. Пространство, в котором есть электрическое поле, является областью проявления электрических сил. Электростатическое поле в каждой точке характеризуется значениями напряженности и потенциала φ, которые являются силовой и энергетической характеристиками поля в данной точке. Электрическое поле можно изобразить графически с помощью силовых линий. Силовая линия — это линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с вектором напряженности электрического поля. Силовые линии не пере¬секаются, так как напряженность поля в каждой точке имеет одно определенное направление. Для графического изображения поля можно использовать либо силовые линии, либо эквипотенциальные поверхности. Эквипотенциальной по¬верхностью называют геометрическое место точек одинакового потенциала. На рис. 1 показаны силовые (сплошные) и эквипотенциальные (пунктирные) линии электростатиче-ского поля, созданного заряженной плоскостью и точечным зарядом. Эк-випотенциальные линии изображены в сечении эквипотенциальных поверх-ностей плоскостью чертежа. Эквипо-тенциальные поверхности проводят с одинаковым шагом ∆φ. Как и силовые линии, они не пересекаются, так как каждой точке поля соответствует только одно значение Перемещение заряда вдоль эквипотенциальной поверхности не требует совершения работы: А=Q∙∆φ=0,так как ∆φ=0. С другой стороны, работа силы F на элементарном перемещении dl A= ,откуда следует, что при F≠0 и dl≠0 величина cosα=0. Это означает, что действующая на заряд сила перпендикулярна переме¬щению вдоль поверхности равного потенциала. Следовательно, силовые линии перпендикулярны любой эквипотенциальной поверхности (рис. 2). Связь потенциала с напряженностью поля в данной точке выражается соотношением где Градиент функции φ (x,y,z) есть вектор, направленный в сторону максимального возрастания функции, модуль которого равен производной функции φ по тому же направлению: где n – единичная нормаль к эквипотенциальной поверхности. Таким образом из выражений (2) и (4) следует, что вектор напряженности электрического поля в каждой точке численно равен быстроте изменения потенциала вдоль силовой линии и направлен в сторону убывания потенциала Метод исследования поля При конструировании многих электронных приборов требуется изучение электрического поля в пространстве, заключенном между электродами. Изучить поле – это значит определить в каждой точке значения и φ. Теоретический расчет и φ возможен лишь в случае полей, создаваемых электродами простой конфигурации. Сложные электрические поля исследуют экспериментально. Для изучения полей используют экспериментальные методы моделирования. Один из них основан на применении слабопроводящей пластины с электродами. Электростатическое поле заменяют электрическим полем, в котором на электроды подают такие же потенциалы, как и в моделируемом поле. Несмотря на движение заряженных частиц, плотность зарядов на электродах постоянна, так как на место зарядов, уходящих по слабопроводящей пластине, непрерывно поступают новые. Поэтому заряды электродов создают в пространстве такое же электрическое поле, как и неподвижные заряды той же плотности, а электроды являются эквипотенциальными поверхностями. Использование пластины позволяет применять токоизмерительные приборы. Более простые и надежные в работе, чем электрические. При исследовании поля находим положение эквипотенциальных поверхностей, используя для измерения потенциалов точек поля метод зонда. Электрический зонд представляет собой остроконечный проводник. Который помещают в ту точку, где нужно измерить потенциал. В проводящей среде потенциал зонда равен потенциалу исследуемой точки поля. Полученная картина эквипотенциальных поверхностей исследуемого поля позволяет провести силовые линии (ортогонально поверхностям) и вычислить значение на участке длины ∆n: где — потенциалы соседних эквипотенциальных поверхностей, ∆n – кратчайшее расстояние между ними (по нормали). В настоящей работе для изучения электростатического поля используют метод слабопроводящей пластины. Описание установки Для исследования электрического поля собирают электрическую цепь по схеме, представленной на рис.3. Если зонд 3 поместить в произвольную точку пластины 5, то стрелочный вольтметр 1 покажет значение потенциала поля в этой точке, измеренное относительно электрона 2, потенциал которого принимается равным нулю. Совокупность точек исследуемого поля с таким же значением потенциала образует эквипотенциальную поверхность. Порядок выполнения работы Задание. Построение картины линий электростатического поля. Внимание! Для выполнения работы необходимо принести в лабораторию лист миллиметровой бумаги формата А4 (210) Выполнение измерении 1 На лист миллиметровой бумаги нанесите контуры электродов (в натураль-ную величину) и координатную сетку, идентичную имеющейся на установ¬ке. 2 Соберите электрическую схему, показанную на рис. 3, подключив входы блока моделирования полей согласно рис. 4. Стрелочный вольтметр (рис.5) предназначен для измерения постоянного напряжения «0…±15В» и имеет входы «+» «-» для подачи измеряемого напряжения. 3. Включите кнопкой «Сеть» питание блока генераторов напряжения. Нажми¬те кнопку «Исходная установка» (поз. 19, см. рис. 1). 4. Касаясь электродов зондом, определите, какой электрод имеет нулевой по-тенциал φ0. 5. Кнопками установки напряжения «0.. .+15 В» (поз. 14, см. рис. 1), ус-тановите потенциал другого электрода φ (по заданию преподавателя), контро¬лируя его вольтметром. Значения потенциалов электродов укажите на картине поля. Таким образом, найдены две эквипотенциальные поверхности. 6. Выберите такой шаг измерения потенциала зонда ∆φ, чтобы на картине по¬ля можно было построить по заданию преподавателя N (5… 10) эквипотен¬циальных линий. ∆φ=φ/(N+1) 7. Около электрода с нулевым потенциалом найдите точку поля с потенциалом и нанесите ее на картину поля. Перемещая зонд по всему полю,определите координаты не менее восьми точек, имеющих тоже значение по¬тенциала, и нанесите их на миллиметровку. Для первой и последней эквипо¬тенциальных линий найдите по 2-3 точки за электродами! 8. Соедините точки одинакового потенциала плавной линией. На картине поля укажите значение потенциала данной линии. 9. Проведите измерения по пп. 7, 8 для каждой поверхности равного потен-циала . Обработка результатов измерений 1. Постройте график зависимости потенциала от расстояния от электрода с ну¬левым потенциалом φ(r ). 2. На картине исследуемого поля покажите силовые линии. 3. Для двух, трех точек поля (выбранных в областях с различным наклоном графика φ (r )к оси г) рассчитайте значение напряженности электростатиче¬ского поля по формуле (6). 4. В выводе по работе сделайте анализ исследуемого поля: выясните, где распо¬лагается область более сильного поля и чем она выделяется на картине поля и на графике φ(r ).