МУ-Э-101 (Изучение электростатического поля)

Лабораторная работа Э-101ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯМГТУ им. Н.Э. Баумана, кафедра Физики (ФН-4)Чуев А.С., Шишанин А.О.ВведениеЭлектрическоефундаментальныхпосредствомфизическоевзаимодействиевзаимодействий,электрическогополе,поля.являетсяоднимизосуществляемыхвЭлектрическоеполевзаимодействующеесфизическимиосновныхклассической–видовфизикефундаментальноетелами,обладающимиэлектрическими зарядами.

Электрические поля создаются электрическими зарядамии их системами. Электрический заряд - это физическая величина, характеризующаясвойство материальных частиц или тел вступать в электромагнитные силовыевзаимодействия.Понятиеэлектрическогозарядаиэлектрическогополя,порождаемогозарядами, в электростатике и электродинамике являются первичными, основнымипонятиями.Еслинеэлектрическихвсе,тобольшинствовзаимодействий.физическихПроявленияявленийестьэлектромагнетизмапроявлениявсамыхразнообразных физических процессах – механических, тепловых, оптических,атомных и др. – определяют основополагающее место этого раздела в курсе общейфизики технического университета. Благодаря электрическим силам существуютатомы и молекулы веществ.

Явление трения – есть проявление электрических сил.Магнетизм это релятивистский эффект электрического взаимодействия. Даже силуинерции относят к проявлениям электромагнетизма. Таким образом, глубокоеизучение физики электричества закладывает надежный фундамент для дальнейшегоосвоения большинства технических дисциплинЦель лабораторной работыЦелью лабораторной работы является приобретение студентами практическихнавыковпроведенияэкспериментовсиспользованиемсовременныхэлектроизмерительных приборов. По результатам выполнения лабораторной работыстуденты смогут на практике оценить выполнение основных законов электростатикина примере воздушного конденсатора с изменяемым зазором между пластинами.Студентыизучатпринципработыи конструктивное устройствоизмерителя2напряженности электрического поля, исследуют влияние на этот полевой параметрразличныхфакторов.закрепляетсяВпроцессепрактическийнавыквыполненияобработкиработыприобретаетсярезультатовилиэкспериментасиспользованием вероятностных параметров.Краткая характеристика объекта изученияЭлектрические поля создаются электрическими зарядами.

Имеется два видаэлектрических зарядов, условно называемых положительными и отрицательными.Заряд всех элементарных частиц (если он не равен нулю) одинаков по 19абсолютной величине и его называют элементарным зарядом е  1, 6  10 Кл . Зарядможет передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целоечисло элементарных зарядов, т.е. электрический заряд тела - дискретная величина:q  ne( n  1,2,3,...)(1)Физические величины, которые могут принимать только дискретный рядзначений, называются квантованными.Элементарныйзарядеявляетсяквантом(наименьшейпорцией)электрического заряда.Одним из фундаментальных законов природы является закон сохраненияэлектрического заряда.

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всехтел остается постояннойq1  q2  ...  qn  const(2)Закон сохранения электрического заряда утверждает, что электрическиезаряды не создаются и не исчезают, а только передаются от одного тела к другомуили передаются внутри данного тела.Электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Принятосчитать, что каждое заряженное тело создает в окружающем пространствеэлектрическое поле. Это поле оказывает силовое действие на другие заряженныетела.Посредствомэлектрическогополятеласодноименнымизарядамиотталкиваются, а с разноименными - притягиваются. Электростатическое поле неизменяетсявовремениисоздаетсятолькоэлектрическимизарядами(илиэлектрическими диполями).Электростатическое поле отдельного заряда можно обнаружить, если впространство, окружающее заряд внести другой заряд. Обычно для исследованиясвойств поля пользуются положительным зарядом, который называют пробным и3обозначают q пр .

При этом считают, что пробный заряд не искажает изучаемогополя, т.е. пренебрегают его собственным полем. На пробный заряд, помещенный вкакую либо точку поля, создаваемого другим зарядом q 0 действует силаF=q0 qпр(3)4 π ε0 r 2Если в одну и ту же точку поля вносить разные заряды q 1 , q 2 ... , то на нихбудут действовать разные силы F1 , F 2 ,... , однако отношение F1 / q1  F2 / q 2 ... дляэтой точки поля всегда будет постоянным. Поэтомуэтим отношением можноколичественно характеризовать электрическое поле в различных точках. ОтношениеFE q пр(4)называют напряженностью электрического поля. Таким образом, напряженностьэлектрического поля есть силовая характеристика электрического поля.

Дляопределенной точки поля она равна отношению силы, действующей на пробныйзаряд, к величине этого пробного заряда.Эту же физическую величину можно определить и со стороны электрическогозаряда, создающего поле (принятое допущение, точечного). В этом случаенапряженность электрического поля определится выражением:E=q0e ,2 r4 π ε0 rгде: q 0 - заряд, создающий электрическое поле;в которой определяется напряженность;ε0(5)r - расстояние от зарядаq 0 до точки,- электрическая постоянная; er -единичный вектор по направлению радиус-вектора, соединяющего заряд q 0 и точкуполя, в которой определяется напряженность. Единица измерения напряженности вольт на метр (В/м). Размерность напряженности – LMT –3 I –1 .Напряженность - величина векторная. За направление вектора напряженностиEпринимают направление силы, с которой поле действует на пробный заряд,помещенный в данную точку поля.Напряженность - силовая характеристика поля; она численно равна силе,действующей на единичный положительный заряд.Электрическое поле графически удобно представлять силовыми линиями.4Силовыми линиями или линиями напряженности поля называют линии,касательные к которымв каждой точке совпадают с вектором напряженности вданной точке поля (рис.1).Рис.

1. Силовые линии поляЛинии напряженности электростатического поля никогда не могут бытьзамкнуты сами на себя. Они имеют обязательно начало и конец, либо уходят вбесконечность.Условилисьсчитать,чтолиниинапряженностиэлектрическогополянаправлены от положительного заряда к отрицательному, т.е. они выходят изположительного заряда, а входят в отрицательный. Линии напряженности никогда непересекаются.Пересечениелинийозначалобыотсутствиеопределенногонаправления вектора напряженности электрического поля в точке пересечения.Густотой линий напряженности характеризуют величину напряженности поля.

Вместах, где напряженность поля меньше, линии расположены реже.Электростатическое поле, во всех точках которого напряженность поляодинакова по модулю и направлению ( E  const ) , называют однородными. Примеромтакого поля может быть электрическое поле плоского конденсатора вдали от краевего обкладок.Еслисоздаваемоеспомощьюнесколькимипробногозарядазаряженнымиисследуетсятелами,тоэлектрическоеполе,результирующаясилаоказывается равной геометрической сумме сил, действующих на пробный заряд состороны каждого заряженного тела в отдельности.

Следовательно, напряженностьэлектрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства,равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той жеточке зарядами в отдельности: E  E1  E2  ...(6)Из принципа суперпозиции следует, что при наложении полей они неоказывают никакого влияния друг на друга. Благодаря принципу суперпозиции длянахождения напряженности поля системы заряженных частиц в любой точкедостаточно знать выражение (5) для напряженности поля точечного заряда.5При перемещении пробного заряда q пр в электрическом поле электрическиесилы совершают работу.Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точкев другую не зависит от формы траектории, а определяется только положениемначальной и конечной точек и величиной заряда.Следствием независимости работы от формы траектории является следующееутверждение: работа сил электростатического поля при перемещении заряда полюбой замкнутой траектории равна нулю.

Силовые поля, обладающие этимсвойством, называют потенциальными или консервативными.Свойствопотенциальностиэлектростатическогопонятие потенциальной энергии заряда вполяпозволяетввестиэлектрическом поле. Для этого впространстве выбираются некоторая точка (0), и потенциальная энергия заряда q 0 ,помещенного в эту точку, принимается равной нулю.Потенциальная энергия заряда, помещенного в любую точку (1) пространства,относительно фиксированной точки (0) равна работеA 10 , которую совершитэлектростатическое поле при перемещении заряда q1 из точки (1) в точку (0):W р 1  A10(7)Работа, совершаемая электростатическим полем при перемещении точечногозаряда q1 из точки (1) в точку (2), равна разности значений потенциальной энергии вэтих точках и не зависит от пути перемещении заряда и от выбора точки (0).A12  W p 1  W p 2Физическуювеличину,равнуюотношению(8)потенциальнойэнергииэлектрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда, называютпотенциалом  электрического поля: Wp(9)qЕдиница потенциала электрического поля - вольт (В).