ОБЩАЯ ФИЗИКА МАГНИТИЗМ И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО (С.П. Степина, Н.Б. Бутко - Лабораторный практикум по курсу Общая физика. Электричество и магнетизм (исправленное издание 2018))

УДК 537(07б.5), ББК 22.33 я73 С79 У т в е р гк д е н о РИС Ученого совета Российского университета друлсбы народов Степина, С. П. Лабораторный практикум по курсу «Общая физика. Электричество и магнетизм»: учебное пособие I С. П„Степина, Н. Б. Бутко. — 2-е изд., испр. — Москва: РУДН, 2018. — 150 с.: ил. О Степина С.П., Бутко Н.Б., 2018 О Российский университет дружбы народов, 2018 18ИЫ 978-5-209-09057-1 Пособие включает в себя описание и рекомендации к выполнению лабораторных работ по курсу «Общая физика», разделы «Электричество» и «Магнетизм». Предназначено для студентов П курса, обучающихся на факультете физико-математических и естественных наук.

Подготовлено на кафедре экспериментальной физики. ВВЕДЕНИЕ Данное учебное пособие входит в состав учебно- методического комплекта «Лабораторный практикум по общей физике» и является продолжением комплексного обучения студентов в физической лаборатории. Предлагаемое учебное пособие содержит описание и рекомендации к выполнению лабораторных работ по курсу «Общая физики», разделы «Электричество» н «Магнетизм».

В каждом описании даются основы теории явления, экспериментально изучаемого студентами в условиях лаборатории «Электричество и магнетизм», обсуждаются постановка экс- перимента„методика проведения измерений и обработки результатов. Количество и темы выполняемых лабораторных работ определяет преподаватель согласно рабочему плану для каждой специальности. Подготовку к лабораторной работе, назначенной преподавателем, студент выполняет самостоятельно. Выполнение лабораторной работы происходит только в лаборатории (при необходимости помогает лаборант). Результаты обрабатываются по методике, изложенной в вводной части лабораторного практикума «Механика». ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ Мя 1. Название работы. 2. Цель работы.

4. Какой основной закон описывает исследуемое явление? Кнеу Ф «у у ярым~ ~ (указать причинно-следственные связи между величинами, входящими в формулу)? ° Какие величины влияют прямо или косвенно на значение определяемой законом величины? для исследования данного явления? ° Указать о аничения мето а и перечислить факторы, определяющие несоответствие теоретически ожидаемых и практически получаемых результатов. б. Зарисовать схематический чертеж основных элементов экспериментальной установки. 7. Какую физическую величину необходимо опреде- лить в работе (название', символическое обозначение, единицы измерения)? ° Как находится эта физическая величина (записать 8.Д» р ю .

р и лом (название, символическое обозначение, единицы измерения). 9. Записать величины, определяемые косвенным методом (название, символическое обозначение, единицы измерения). П и выполнении лабо ато ной аботы. 10. Занести все значения измеряемых величин в таблицы, выполненные либо по образцу, рекомендованному в описании работы, либо составленные самостоятельно. 11, Записать в соответствующие таблицы значения всех заданных величин, используемых в качестве параметра, а также абсолютные ошибки их измерения. ~г. пр ~ю~ы~ г~ ез льтата с етом статистической об аботкн изме ений.

13. Выполнить соответствующие а ические пойб й ~с. 14. Провести сравнительный анализ полученных экспериментальных и теоретических значений исследуемой величины. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ Цель работы: построение графического изображения электростатических полей различной конфигурации с помощью модели — электролитической ванны. Оборудование; злектролитическая ванна, вода, электроды разной формы, вольтметр, источник питания, зонд, соединительные провода, миллиметровая бумага. Краткаятеория Электростатическое поле характеризуется в каждой точке пространства значением вектора напряженности поля Е и значением электростатического потенциала 13, Направление вектора напряженности поля в каждой точке поля и распределение потенциалов в поле можно сделать наглядным,пользуясь понятиями о силовых линиях и о поверхностях равного потенциала — эквипотенциальных поверхностях.

Силовые линии всегда нормальны к поверхности равного потенциала, например, к поверхности проводников, находящихся в электрическом поле. Поэтому, зная расположение силовых линий поля, можно начертить систему эквипотенциальных поверхностей, и наоборот, найдя положение поверхностей равного потенциала, можно построить силовые линии поля. Как правило, легче вести расчет потенциалов, чем расчет напряженностей поля; потенциал — величина скалярная, а напряженность — векторная. Экспериментально измерение потенциалов также оказывается проще, чем измерение напряженностей поля, так как большинство приборов, при- годных для изучения полей, измеряют разности потенциалов, а не напряженности поля.

Поэтому в данной задаче экспе нментально из чается асп е еление поте нала в поле, а не напряженностей этого поля. Линии сил из чаемых полей ст оятся уже потом как о тогональные к ивые к экспе иментально най енным нове хностям авного потея! нала. Для измерения потенциала в различных точках поля используют проводник-зонд, который помещают в эти точки. Зонд не должен искажать распределение потенциала. Зонд соединяется проводником с прибором, измеряющим приобретенный зондом потенциал.

При этом необходимо, чтобы этот зонд принял потенциал той точки поля, в которую он помещен. Только тогда показания прибора, соединенного с зондом, будут давать правильную картину распределения - потенциалов в исследуемом поле. Оказывается, что прн некоторых условиях распределение потенциалов в среде, по которой течет ток между установленными в ней электродами, может быть сделано тождественным с распределением потенциалов между теми же электродами, когда между ними имеется электростатическое поле. Другими словами, одинаковые уравнения могут описывать разные процессы, что является основой моделирования.

Мы можем рассматривать проводящую среду с распределением токов в ней как модель электростатического поля. Измерение распределения потенциалов в проводящей среде, по которой течет ток, сравнительно легкая экспериментальная задача. Приведем пример. Пусть имеются две концентрические металлические сферы. Если эти сферы заряжены, то в разделяющем их шаровом слое существует электрическое поле, задаваемое зарядом только внутренней сферы.

Поверхности равного потенциала в этом случае — концентрические сферы, силовые линии направлены радиально, напряженность поля убывает как 1/г ~. Пусть теперь шаровой слой между сферами заполняется однородным проводящим веще- ством. Пусть к 'внешней и внутренним сферам 'подведены провода от батареи, поддерживающей между сферами ту же разность потенциалов, которая была между сферами в первом случае.

В шаровом слое будет идти постоянный ток. Поле Е в'однородной проводящей среде при наличии тока совпадает с электростатическим полем' Е„, которое существовало бы между данными электродами, если бы к ним было приложено то же напряжение, что и при наличии тока, а вместо проводящей среды был бы вакуум. Действительно, при прохождении постоянного тока через однородную проводящую среду в ней не образуются объемные заряды, подобно тому, как нет объемных 'зарядов в пространстве между статически заряженными электродами в вакууме. Кроме того, постоянный ток не'создает переменного магнитного поля, а следовательно, не возникает вихревое электрическое поле, то есть электрическое поле Е при наличии.тока потенциально. Электрическое поле Е„также потенциально.

Чтобы показать, что поле Е при наличии тока и элек-, трическое поле Е„тождественны, необходимо'еще доказать, что для обоих полей одинаковы условия на границе «среда— электрод». А в общем случае эти граничные условия различны, так как Е„всегда перпендикулярно к поверхности проводника, а поле Е тока может этому условию и не удовлетворять. Однако поле Е всегда перпендикулярно к поверхности электродов любой формы, если проводимость среды намного меньше проводимости вещества электродов, так как в этом случае потенциал' во всех точках электродов практически одинаков.

Таким образом, можно заменить изучение электростатического поля между системой заряженных проводников изучением электрического поля постоянного тока между той же системой проводников, если потенциалы проводников поддерживаются постоянными и выполняется необходимое соотношение между проводимостью среды н проводимостью электродов. Указанная замена изучения поля дает большие экспериментальные преимущества: 1) вводя в проводящую среду в качестве зондов простые металлические 'электроды, мы получаем выравнивание потенциалов зоила и той точки поля, в которую введен зонд; 2) зонды в этом случае могут быть соединены с токоизмерительными приборами, а не с электростатической аппаратурой, которая всегда гораздо сложнее и менее надежна в работе, чем токовые приборы, Надо иметь в виду, что электрическая цепь зонда должна обладать большим сопротивлением проводящих слоев вещества между точкой, в которую помещен зонд, и ближайшим электродом.

В противном случае включение зонда исказит распределение потенциалов в исследуемом поле. Практическое осуществление описанного приема изучения электростатического поля будет ясно из объяснения устройства применяемой для этой цели простейшей установ- КИ. Описание установки Установка представляет собой прямоугольный сосуд из материала с хорошими электроизолирующими свойствами (например, плексиглас). В нем помещаются металлические электроды А и В, между которыми изучается поле (рис. 1).

Электроды могут быть различной формы. Ванна заполняется электролитом, проводимость которого мала по сравнению с проводимостью металла. Для заполнения ванны можно использовать воду. Ее, проводимость порядка 10 з Ом ~ ° см ~ —: 10 + Ом ~ см ~, а проводжиость элек- \ тродов порядка 10з Ом ' ° см ~. Электроды А и В опираются на дно ванны и возвышаются над поверхностью воды. Рис. и Схема установки Рис. 2. Схема установки. Вил сверху Между электродами А и В поддерживается постоянный ток. Источником напряжения У служит выпрямитель. Для изучения распределения потенциалов в поле берут острый металлический зонд С и зажим В, соединенные с вольтметром. Зажим укрепляют на одном из электродов, зонд помещают в исследуемую точку поля. Отмечают показания вольтметра. Находят ряд точек, которые соответствуют одинаковьпи показаниям вольтметра.

Тем самым определя- 10 тся ют линии равного потенциала или эквипотенииалъные линии. Указанным способом можно получить семейство эквипотенциальных кривых. Так как эквипотенииалъные кривые и силовые'-линии взаимно перпендикулярны, то нетрудно графически построить систему салават линий. В результате получается картина электростатического поля. Порядок выполнения работы 1. Собрать схему, изображенную на рис. 1.