ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

МЕТОДОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Цель работы – получить экспериментально семейство эквипотенциальных поверхностей и силовых линий методом моделирования электрических полей электрическими токами, протекающими по проводящей среде между парами электродов – аналогов заряженных тел, и качественно сравнить их с ожидаемыми теоретически семействами; найти величины напряженности электрического поля в нескольких точках.

Описание метода и установки

Пусть имеются два заряженных тела, например два точечных заряда (+q) и (–q) (рис. 1). Тогда, как известно, в окружающем тела пространстве создается электростатическое поле, характеризующееся напряженностью поля  и потенциалом . Картина силовых и потен-циальных линий качественно изображена на рис. 1.

Если теперь эти заряженные тела окружить проводящей средой, например, просто погрузив их в ванну 1 с электролитом (рис. 2), то по этой среде потечет электрический ток.

Рис. 1                                             Рис. 2

При непрерывном возобновлении исходных зарядов путем подключения этих тел (которые в дальнейшем будут называться электродами 2) к внешнему источнику ток будет течь непрерывно.

Опыт и теория показывают, что между плотностью тока j и напряженностью электрического поля Есуществует связь j = sЕ. Это соотношение называется законом Ома в дифференциальной форме. Здесь
s – удельная электропроводность электролита (величина, обратная удельному сопротивлению); величина плотности тока  численно равна току, протекающему через поперечное сечение единичной площади.

В силу справедливости закона Ома в дифференциальной форме силовые линии и линии электрического тока в ванне с электролитом совпадают. При этом линиям равного потенциала – эквипотенциальным линиям (линии получаются при пересечении эквипотенциальных поверхностей с плоскостью ванны) соответствуют линии – геометрические места точек, между которыми отсутствует напряжение.

Отсутствие напряжения между эквипотенциальными точками, т. е. принадлежность их к одной и той же эквипотенциальной линии, легко обнаружить вольтметром, если соединить его с зондами 3 (рис. 2) в виде проводящих штырьков, погруженных в исследуемые точки в электролите.

Таким образом, электрическое поле, создаваемое заряженными телами, моделируется электрическими токами, протекающими по электролиту между электродами – аналогами заряженных тел.

В данной работе в качестве электролита используется обыкновенная водопроводная вода. Напряжения измеряются цифровым вольтметром. В качестве заряженных тел берутся электроды различной формы – в виде плоских пластин, цилиндров, полуколец и др. На электроды подается переменное напряжение с амплитудой порядка нескольких единиц вольт. Ванна снабжена координатной сеткой, которую следует перенести на миллиметровую бумагу. Положение и форму электродов необходимо также аккуратно изобразить на миллиметровой бумаге.