Електричний провідник як еквіпотенціальна поверхня

Схема досліду

У цьому досліді учні досліджують, як змінюється неоднорідне електричне поле між двома круговими електродами, коли в поле вносять електричний провідник (стрижневу електроду).

Дослід має показати, що електричні провідники через зміщення зарядів завжди є еквіпотенціальною поверхнею електричного поля, а силові лінії завжди проходять перпендикулярно до їхньої поверхні.

Попередні знання

Перед виконанням досліду учні мають бути обізнані з еквіпотенціальними лініями та картиною силових ліній. Вони мають знати, що електрична напруга відповідає різниці потенціалів між двома точками електричного поля і що таке поле утворюється, коли між двома електродами прикладають напругу.

Принцип

Прикладання електричної напруги до двох електродів (анода, катод) утворює електричне поле, яке діє електричною силою на заряджені пробні тіла. Це поле виявляється у вигляді різних рівнів потенціалу, які можна зробити видимими.

Навчальна мета

На цьому досліді учні мають побачити, як провідник впливає на форму неоднорідного електричного поля.

Завдання

Дослідь, як змінюється електричне поле між двома круговими електродами, коли в поле вносять електричний провідник (тут: стрижневу електроду):

1. Визнач потенціал провідної поверхні в електричному полі.
2. Виміряй розподіл потенціалу електричного поля між двома електродами, особливо поблизу провідної поверхні.
3. З'ясуй, як проходять силові лінії електричного поля.

Електричне поле - це фізичне поле, яке діє на електричні заряди силою Кулона. Як векторне поле воно через просторовий розподіл напруженості електричного поля описує значення й напрям цієї сили для кожної точки простору.

Електричні поля спричиняють електричні заряди, а також зміни магнітних полів із часом. Властивості електричного поля разом із властивостями магнітного поля описують рівняння Максвелла.

Щоб скласти уявлення про дослідну установку, подивись на рис. 1.

Готуючись до цього досліду, дій так:

• Постав обидва універсальні тримачі на перфоровану плиту так, щоб полікарбонатна пластина якраз вміщалася між ними (рис. 2).

Рис. 1

Рис. 2

• Повністю викрути гвинти з обох тримачів, а потім прикрути ними тримач електродів до тримачів (рис. 3-4).
• Виріж шматок копіювального паперу розміром 130 мм x 100 мм і поклади його на полікарбонатну пластину (рис. 5-6).

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

• Поклади обидві кругові електроди під зовнішні гвинти з накатаною головкою.
• Рівномірно притисни їх, обертаючи гвинти (рис. 7).

Рис. 7

• Після цього обведи контури електродів на копіювальному папері, трохи послаб гвинти з накатаною головкою і ще раз витягни копіювальний папір (рис. 8).
• Ретельно замалюй позначені ділянки м'яким олівцем (рис. 9). Завдяки графіту олівця між електродами й копіювальним папером виникає кращий контакт, тож, коли до електродів прикладають напругу, у провідному копіювальному папері поширюється вимірне електричне поле.

Рис. 8

Рис. 9

• Посунь копіювальний папір назад у початкове положення, знову постав електроди на тепер замальовані ділянки і притисни їх гвинтами з накатаною головкою до копіювального паперу (рис. 7).
• З'єднай обидві електроди з виходами блока живлення (рис. 11).

Рис. 10

• З'єднай цифровий мультиметр і з виходом (0 В) блока живлення, і зі спицею (рис. 10-11).
• Щойно на копіювальному папері з'явиться електричне поле і спиця торкнеться паперу, вимірювальний прилад вимірює напругу між точкою дотику та приєднаним виходом блока живлення. Якщо цей вихід має 0 В, то виміряна напруга дорівнює потенціалу в точці дотику.
• Нагадаємо: електрична напруга відповідає різниці потенціалів між двома точками.

Рис. 11

• Увімкни блок живлення і встанови постійну напругу 10 В.
• Притули вістря спиці до обох електродів і перевір, чи їхні значення потенціалу становлять 0 В і 10 В відповідно (рис. 12-13).
• Якщо буде потрібно, зміни встановлену постійну напругу на блоці живлення.

Рис. 12

Рис. 13

• Закріпи стрижневу електроду під середнім гвинтом з накатаною головкою так, щоб вона лежала на осі симетрії між двома круговими електродами (рис. 14). У цьому досліді вона слугує електропровідною поверхнею в електричному полі кругових електродів.
• Познач положення стрижневої електроди на копіювальному папері, обвівши її олівцем (рис. 15).

Рис. 14

Рис. 15

• Обмацай стрижневу електроду спицею і виміряй її потенціал у різних місцях (рис. 16).
• Поверни стрижневу електроду на кут приблизно 45 градусів відносно початкового положення (рис. 17).
• Знову виміряй її потенціал у різних місцях (рис. 18).

Рис. 16

Рис. 17

• Для різних значень потенціалу знайди на копіювальному папері по вісім точок, які мають це значення потенціалу. Для цього обмацуй копіювальний папір вістрям спиці й познач точки олівцем (рис. 19). Почни зі значення потенціалу 1 В і далі рухайся кроками по 1 В.
• Після завершення вимірювання послаб гвинти й витягни копіювальний папір.

Рис. 18

Рис. 19