ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.04.2021
Просмотров: 327
Скачиваний: 1
М И Н И СТ Е РСТ В О
О БРА ЗО В А Н И Я
И
Н А У К И
РО ССИ Й СК О Й
Ф Е Д Е РА Ц И И
В О РО Н Е Ж СК И Й
ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й
У Н И В Е РСИ Т Е Т
ЛА Б О РА Т О РН Ы Й
ПРА К Т И К У М
ПО
ЭЛЕ К Т РИ ЧЕ СТ В У
И
М А ГН Е Т И ЗМ У
Часть
1
Практическое
пособие
Специальности
: 010400
–
ф из ика
, 013800
–
рад иоф из ика
и
электроника
,
014100
–
м икроэлектроника
и
полупровод никовы е
приборы
В О РО Н Е Ж
2004
2
У тверж д ено
научно
-
м етод ическим
советом
ф из ического
ф акультета
(21.04.04
г
.,
протокол
№
4)
Составители
:
А лейников
Н
.
М
.,
А лейников
А
.
Н
.
Практическое
пособие
по
электричеству
и
м агнетиз м у
(
часть
1)
под го
-
товлено
на
каф ед ре
общ ей
ф из ики
ф из ического
ф акультета
В оронеж ского
го
-
суд арственного
университета
.
Реком енд уется
д ля
ауд иторной
и
сам остоя
-
тельной
под готовки
студ ентов
2
курса
д невного
и
вечернего
отд елений
ф и
-
з ического
ф акультета
.
3
Лабораторная
работа
№
1
И З У Ч Е НИ Е
Э Л Е К Т Р О С Т А Т И Ч Е С К О Г О
П О Л Я
Ц ель
работы
:
оз наком иться
с
м етод ом
м од елирования
электростатического
поля
,
граф ическим
из ображ ением
поля
линия м и
од инакового
потенциала
и
линия м и
напря ж енности
.
В ведение
Электростатическое
поле
пред ставля ет
частны й
случай
электром агнитного
поля
.
И сточникам и
электростатических
полей
я вля ются
непод виж ны е
з аря д ы
.
О сновной
величиной
,
характериз ующ ей
электростатическое
поле
в
каж д ой
точке
пространства
,
я вля ется
напря ж енность
.
Н апря ж енность
Е
–
векторная
величина
,
численно
равная
силе
,
д ействующ ей
на
ед иничны й
полож ительны й
точечны й
з аря д
,
пом ещ аем ы й
в
точку
,
в
которой
опред еля ется
поле
.
Е сли
вектор
Е
опред елен
во
всех
точках
поля
,
м ож но
провести
сем ейство
линий
напря ж енности
,
касательная
в
каж д ой
точке
которой
совпад ает
с
направлением
вектора
Е
.
Линии
напря ж енности
всегд а
им еют
начало
и
конец
.
Н ачинаются
они
на
полож ительны х
з аря д ах
–
истоках
поля
,
а
з аканчиваются
на
отрицательны х
–
стоках
поля
.
Эти
линии
,
наз ы ваем ы е
такж е
силовы м и
линия м и
,
д ают
наг ля д ное
из ображ ение
поля
.
По
густоте
линий
суд я т
о
величине
напря ж енности
.
Н аправление
вектора
Е
в
некоторой
точке
поля
опред еля ют
по
направлению
касательной
к
линии
в
этой
точке
.
Энергетической
характеристикой
поля
я вля ется
потенциал
V
–
скаля рная
величина
,
численно
равная
работе
,
которую
нуж но
соверш ить
д ля
переноса
ед иничного
полож ительного
точечного
з аря д а
из
бесконечности
в
д анную
точку
поля
.
У словие
V(
∞
)
=0
наз ы вается
условием
норм ировки
потенциала
.
Н а
практике
из м еря ется
не
потенциал
,
а
раз ность
потенциалов
,
т
.
е
.
потенциал
отсчиты вается
относительно
некоторого
потенциала
,
условно
приним аем ого
з а
нулевой
.
Н аг ля д ное
из ображ ение
поля
м ож но
получить
такж е
при
пом ощ и
эквипотенциальны х
поверхностей
,
т
.
е
.
поверхностей
,
все
точки
которы х
им еют
од инаковое
з начение
потенциала
.
У равнение
эквипотенциальной
поверхности
им еет
вид
V(x,y,z)
=const.
В
случае
д вухм ерного
(
плоского
)
поля
уравнение
эквипотенциальной
линии
им еет
вид
V(x,y)
=const.
Эквипотенциальны е
линии
строя т
с
постоя нны м
ш агом
∆
V,
т
.
е
.
так
,
чтобы
раз ность
потенциалов
м еж д у
д вум я
сосед ним и
линия м и
бы ла
од инаковой
V
n+1
–
V
n
=
∆
V
.
По
густоте
эквипотенциа
-
лей
такж е
м ож но
суд ить
о
величине
поля
.
Свя з ь
напря ж енности
с
потенциалом
опред еля ется
равенством
Е
=
–
grad
V
,
т
.
е
.
напря ж енность
численно
равна
град иенту
потенциала
,
вз я том у
4
с
обратны м
з наком
.
Силовы е
линии
поля
всегд а
ортогональны
к
эквипотенциальны м
поверхностя м
.
Град иент
скаля рной
ф ункции
V(x,y)
есть
произ вод ная
Е
=
–
dV
/
dr
по
некотором у
направлению
r
,
вд оль
которого
ф ункция
V
из м еня ется
с
наибольш ей
скоростью
.
Т аким
образ ом
,
по
распред елению
по
-
тенциала
м ож но
опред елить
з начение
напря ж енности
в
произ вольной
точке
поля
,
з ам еня я
произ вод ную
отнош ением
конечны х
приращ ений
Е
≈–∆
V
/
∆
r
,
гд е
∆
V
–
ш аг
потенциала
,
∆
r
–
расстоя ние
м еж д у
сосед ним и
эквипотенциаля м и
.
М етодика
работы
В
провод я щ ей
сред е
электростатическое
поле
сущ ествовать
не
м ож ет
,
т
.
е
.
напря ж енность
поля
внутри
провод ника
Е
=0.
Поэтом у
потенциал
во
всех
точ
-
ках
провод ника
V
(x,y,z)=const.
Это
я вление
наз ы вается
экранировкой
.
По
этой
причине
обы чны м
вольтм етром
нельз я
из м еря ть
раз ности
потенциалов
в
электростатическом
поле
,
т
.
к
.
вольтм етр
,
несм отря
на
его
больш ое
электрическое
сопротивление
,
я вля ется
провод ником
по
отнош ению
к
непровод я щ ей
сред е
.
Слож ности
электростатических
из м ерений
привели
к
раз работке
особого
м етод а
из учения
электростатических
полей
.
Этод
м етод
основан
на
искусственном
воспроиз вед ении
поля
стационарны х
токов
в
провод я щ ей
сред е
,
эквивалентного
электростатическом у
полю
непод виж ны х
з аря д ов
.
Зам ена
поля
непод виж ны х
з аря д ов
полем
стационарны х
токов
поз воля ет
использ овать
обы чны е
токоиз м ерительны е
приборы
.
И з м еря ть
и
произ вод ить
расчеты
д ля
потенциалов
легче
,
чем
д ля
напря ж енностей
,
т
.
к
.
потенциал
–
скаля рная
величина
,
а
напря ж еность
–
векторная
.
Поэтом у
в
д анной
работе
эксперим ентально
опред еля ют
распред еление
потенциалов
,
а
з атем
получают
из ображ ение
поля
линия м и
напря ж енности
,
ортогональны м и
к
линия м
равного
потенциала
.
В
настоя щ ей
работе
прим еня ется
з онд овы й
м етод
.
Н а
рис
.
привед ена
принципиальная
схем а
из м ерений
.
В
исслед уем ую
точку
поля
вносится
из м ерительны й
электрод
–
з онд
З
,
такой
,
чтобы
м иним ально
наруш ал
исслед уем ое
поле
.
Зонд
соед иня ется
провод ником
с
из м ерительны м
прибором
Г
,
по
показ ания м
которого
опред еля ют
потенциал
з онд а
по
отнош ению
к
потенциалу
электрод а
А
,
приня того
з а
начало
отсчета
.
В
качестве
А
Б
З
К
П
Г
И
220
В
5
из м ерительного
прибора
,
вы полня ющ его
роль
нулевого
прибора
,
использ уется
чувствительны й
гальваном етр
.
К
источнику
И
напря ж ением
10
вольт
под ключены
электрод ы
А
и
Б
и
д искретны й
потенциом етр
П
,
которы й
поз воля ет
из м еня ть
напря ж ение
от
0
д о
10
вольт
с
ш агом
1
вольт
.
Раз ность
потенциалов
м еж д у
з онд ом
З
и
электрод ом
А
опред еля ется
ком пенсационны м
м етод ом
.
Е сли
потенциал
з онд а
равен
потенциалу
под виж ного
контакта
К
,
то
гальваном етр
Г
покаж ет
нулевой
ток
.
Перем ещ ая
з онд
в
элетролитической
ванне
и
д обивая сь
нулевого
показ ания
гальваном етра
Г
,
м ож но
опред елить
точки
поля
,
потенциалы
которы х
равны
потенциалу
под виж ного
контакта
К
.
Послед овательно
из м еня я
напря ж ение
на
потенциом етре
от
0
д о
10
вольт
,
д ля
каж д ого
напря ж ения
наход я т
соответствующ ую
эквипотенциальную
линию
.
При
пом ощ и
пантограф а
(
на
рис
.
не
указ ан
)
все
эквипотенциальны е
линии
нанося т
на
лист
бум аг и
.
П орядок
измерений
1.
Собрать
схем у
.
При
вы боре
электрод ов
,
а
такж е
их
полож ения
в
ванне
,
руковод ствоваться
указ ания м и
препод авателя
.
2.
В ключить
м акет
в
сеть
и
убед иться
в
работоспособности
схем ы
по
отклонению
стрелки
гальваном етра
.
3.
Закрепить
лист
бум аг и
под
д ерж ателем
пантограф а
и
каранд аш ом
нанести
контур
ванны
и
из ображ ения
электрод ов
А
и
Б
,
соответствующ ие
потенциалам
0
и
10
вольт
.
4.
И з м еня я
напря ж ение
потенциом етра
от
1
д о
9
вольт
с
ш агом
1
вольт
,
д ля
каж д ого
напря ж ения
опред елить
точки
равного
потенциала
и
нанести
их
на
лист
бум аг и
.
5.
Повторить
из м ерения
д ля
д руг их
электрод ов
А
и
Б
,
реком енд ованны х
препод авателем
.
6.
В нести
в
ванну
провод я щ ее
тело
(
по
указ анию
препод авателя
)
и
установить
его
так
,
чтобы
потенциал
провод ника
соответствовал
од ном у
из
потенциалов
потенциом етра
,
наприм ер
, 4, 5
или
6
вольт
.
Получить
из ображ ение
поля
,
повторив
пред ы д ущ ие
из м ерения
.
7.
О тключить
м акет
от
сети
и
раз обрать
схем у
.
О бработка
результатов
измерений
и
оформление
отчета
о
работе
1.
О тчет
по
работе
д олж ен
включать
краткие
свед ения
по
м етод ике
из м ерения
электростатического
поля
,
принципиальную
схем у
из м ерений
,
рез ультаты
из м ерений
и
вы вод ы
,
сд еланны е
на
основе
этих
рез ультатов
.
2.
В
ум еньш енном
м асш табе
показ ать
электролитическую
ванну
и
располож енны е
в
ней
электрод ы
и
из образ ить
эквипотенциальны м и
линия м и
все
эксперим ентально
наблюд аем ы е
поля
.
3.
Построить
из ображ ение
полей
линия м и
напря ж енности
,
руковод ствуя сь
свойством
ортогональности
силовы х
линий
эквипотенциаля м
.
Стрелкам и
на
концах
линий
показ ать
истоки
и
стоки
полей
.