Нижегородский государственный технический университет имени Р.Е. Алексеева кафедра «ФТОС» Отчет по лабораторной работе № 2-24 «Экспериментальные исследования электрических полей с помощью электролитической ванны» (Рабочая тетрадь для студентов вечерней и заочной форм обучения) Работу выполнил Студент группы Работу принял г. Нижний Новгород 20 г. Цель работы: 1. Теоретическая часть 2 2. Экспериментальная часть Схема экспериментальной установки 1 П U S 5 2 V 3 4 Приборы и материалы: Исходные данные и табличные величины: U=5В ε0 = 8,85∙10-12 Ф/м π = 3,14 2.1 Исследование электростатического поля плоского конденсатора (координаты пластин x1 и x2 задаются преподавателем) x1 = , x2 = , d = x2 - x1 = y,см x, см 0 x1 x2 d 2.1.1 Зависимость потенциала от координаты φ(х) Результаты измерений x, см φ, В -9,0 -8,0 -7,0 -6,0 -5,0 -4,0 -3,0 -2,0 -1,0 0 3 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 По результатам измерений построить график зависимости φ(х) График зависимости φ(х) 2.1.2 Графическим дифференцированием (см. приложение в методическом указании по лабораторной работе) рассчитать зависимость E = E(х) (результаты расчетов записать с точностью до 0,1 В/м): При при при По результатам расчетов построить график зависимости E(х). График зависимости E(х) 2.1.3 Картина эквипотенциальных и силовых линий. Результаты измерений четырех эквипотенциальных линий с потенциалами φ = 1В, 2В, 3В, 4В. Для каждой линии необходимо определить не менее 9 точек. 4 Таблицы результатов измерений: φ = 1В φ = 2В х, см у, см х, см у, см φ = 3В х, см у, см φ = 4В х, см у, см По результатам измерений построить картину эквипотенциальных и силовых линий электрического поля в плоском конденсаторе. На рисунке указать потенциалы электродов и эквипотенциальных линий, направление силовых линий поля. Картина эквипотенциальных и силовых линий 5 2.1.4 Расчет характеристик плоского конденсатора: (считать площадь пластин S = 1м2, расстояние между пластинами d = a) емкость конденсатора б) заряд на пластине , C= , q= в) поверхностная плотность заряда , σ= г) энергия электрического поля , W= д) объемная плотность энергии поля е) сила притяжения пластин ) , w= , F= 2.1.5 Расчет потока вектора напряженности через плоскую поверхность (S = 1м2), наклоненную под углом α = 30о к силовым линиям поля + = (отметить угол на графике) S α Ф= 2.2 Исследование электростатического поля цилиндрического конденсатора Указать радиусы малого а = электродов (в миллиметрах); потенциалы электродов φa = и большого b = a b , φb = (в вольтах) 2.2.1 Зависимость потенциала от координаты φ(r) Результаты измерений: за пределами электродов при r < a и r > b шаг r = 1 см r, см φ, В 6 между электродами a r r, см b шаг r = 0,5 см φ, В По результатам измерений построить графики зависимостей φ(r) и φ( График зависимости φ(r); 7 ). График зависимости φ( ). 2.2.2 Расчет зависимости напряженности E(r) c помощью графического дифференцирования (см. приложение). Привести все расчеты (результаты расчетов записать с точностью до 0,1 В/м): 8 Результаты расчетов занести в таблицу и построить график зависимости E(r): r, см E, В/м График зависимости E(r) 9 2.2.3 Картина эквипотенциальных и силовых линий Результаты измерений четырех эквипотенциальных линий с потенциалами φ = 1В, 2В, 3В, 4В. Для каждой линии необходимо определить не менее 12 точек. φ = 1В х, см у, см φ = 2В х, см у, см φ = 3В х, см у, см 10 φ = 4В х, см у, см Картина эквипотенциальных и силовых линий 2.2.4 Расчет характеристик цилиндрического конденсатора (принять L=1м): а) линейная плотность заряда на электроде отношение определяется из графика φ( , ) по тангенсу угла наклона получен- ной прямой, = = б) емкость конденсатора ; , C= 11 в) энергия электрического поля , г) объемная плотность энергии поля W= , (значение напряженности в любой точке поля взять из графика E(r)), r= , E(r) = ,w= 2.2.5 Расчет потоков вектора через коаксиальные с электродами цилиндрические поверхности радиусов r1= 5 см, r2= 8 см и длины L = 1 м: (значения полей E1,2 взять с графика E(r)), = = Проанализировать полученные результаты: 3. Выводы 12 4. Контрольные вопросы 1.Электрический заряд. Закон сохранения заряда. 2. Закон Кулона. Напряженность и потенциал электрического поля. Связь между ними. 3. Поле точечного заряда. Расчет напряженности и потенциала с помощью принципа суперпозиции. 4. Поток вектора напряженности электрического поля. Теорема ОстроградскогоГаусса. 5. Расчет поля равномерно заряженных тел: а) плоскости, двух плоскостей (плоский конденсатор), б) сферы, в) шара, г) бесконечно длинных нити и цилиндра. 6. Понятие емкости. Емкость плоского и цилиндрического конденсаторов. Соединение конденсаторов. 7. Энергия и плотность энергии электрического поля. 8. Метод моделирования электростатических полей в электролитической ванне. 13