KRZYSZTOF NICIECKI

JAN BAŁANDZIUK

WYDZIAŁ OiZ

ROK 1

ĆWICZENIE NR 61:

BADANIE NATĘŻENIA POLA ELEKTRYCZNEGO ZA POMOCĄ SONDY PŁOMYKOWEJ

1. Podstawy teoretyczne.

Pole elektryczne

Źródłem pól elektrostatycznych są ładunki elektryczne. Możemy więc przyjąć, że pole elektryczne to przestrzeń, w której na umieszczony ładunek elektryczny działa siła.

Wielkości charakteryzujące pole elektryczne to: natężenie i potencjał tego pola.

Natężeniem pola elektrycznego nazywamy stosunek siły, jaką pole działa na ładunek próbny q umieszczony w danym jego punkcie do wartości tego ładunku:

Jednostką natężenia pola elektrycznego w układzie SI jest 1

Potencjał elektryczny w danym punkcie pola jest to stosunek energii potencjalnej ładunku próbnego umieszczonego w tym punkcie do wartości tego ładunku:

Jednostką potencjału w układzie SI jest 1

Związek pomiędzy potencjałem, a natężeniem pola elektrycznego przedstawia następująca zależność:

Wartość natężenia pola elektrycznego można obliczyć znając rozkład potencjału E = - dV/dl. Znak minus oznacza, że zwrot wektora E wskazuje kierunek w którym potencjał maleje.

Kondensator powietrzny

Kondensator powietrzny składa się z dwóch równoległych płytek, na których zgromadzone są ładunki elektryczne. Pomiędzy płytkami kondensatora powietrznego wytworzone jest jednorodne pole elektryczne w którym linie sił pola są równoległe.

W przewodniku umieszczonym w polu elektrycznym indukują się ładunki i jego potencjał jest różny od zera. Pomiar potencjału jest trudny. Po podłączeniu miernika część ładunku odpływa z ciała próbnego, zmieniając jego potencjał. Jednym ze sposobów doprowadzenia do równowagi stanu zakłóconego pomiarem a tym samym uzyskania niesfałszowanego wyniku jest dostarczenie ładunku za pomocą płomienia sondy płomykowej. Płomień jest źródłem dużej ilości jonów obydwu znaków i dostarcza ładunków, które odpłynęły do przyrządu pomiarowego.

Sonda płomykowa

Sonda płomykowa jest bardzo cienką rurką przez którą przepływa gaz świetlny. Jest ona umieszczona między okładkami kondensatora płaskiego, jej koniec znajduje się na osi symetrii płytek. Sonda umieszczona jest na izolowanym statywie który można przesuwać wzdłuż osi kondensatora. Odległość płytek kondensatora można zmieniać. Potencjał mierzymy woltomierzem elektrostatycznym. Całość podłączona jest do elektrycznego zasilacza wysokonapięciowego.

Schemat układu do badania rozkładu potencjału metodą sondy płomykowej przedstawiony jest na rysunku.

2. Metoda i przebieg ćwiczenia

W celu dokonania pomiaru wykonujemy następujące czynności:

Ustawiamy płytki kondensatora równolegle względem siebie na odległość d = 40 mm;

Zapalamy sondę płomykową (ustawiamy jak najmniejszy płomień);

Włączamy zasilacz woltomierza i zasilacz wysokiego napięcia;

Przesuwamy sondę do położenia przy którym wskazanie woltomierza wynosi około 600 V;

Przesuwamy sondę w kierunku prawej płytki co 2 mm i wykonujemy pomiar potencjału w kolejnych 16 punktach.

Dla określonej odległości płytek kondensatora to jest: d=80 mm i d=120 mm powtarzamy czynności jak w punktach 2 - 4, ale pomiary wykonujemy co 3 mm. Dla d=80 mm wykonujemy 20 punktów pomiarowych, a dla d=120 mm aż 28 punktów pomiarowych.

Wyniki pomiarów zestawiamy w tabeli nr 1.

3. Obliczenia i zestawienie wyników.

Tabela nr 1.

d1=40 mm		d2=80 mm		d3=120 mm
U [V]	2[mm]	U [V]	3 [mm]	U [V]	3 [mm]
600	9	600	21	600	38
780	11	700	24	650	41
980	13	800	27	720	44
1150	15	910	30	800	47
1320	17	1020	33	860	50
1520	19	1140	36	910	53
1700	21	1250	39	980	56
1910	23	1360	42	1060	59
2120	25	1500	45	1140	62
2300	27	1630	48	1230	65
2480	29	1750	51	1300	68
2640	31	1890	54	1360	71
2810	33	2020	57	1470	74
2920	35	2140	60	1550	77
3030	37	2280	63	1630	80
		2400	66	1730	83
		2550	69	1840	86
		2720	72	1990	89
		2820	75	2080	92
		2930	78	2160	95
				2290	98
				2400	101
				2530	104
				2640	107
				2770	110
				2880	113
				3000	116
				3030	119

l - odległość sondy płomykowej od lewej okładki kondensatora;

U - napięcie;

Wspomagając obliczenia komputerem, wyznaczyliśmy współczynniki a1, b1, a2, b2, a3, b3 w celu narysowania trzech wykresów przedstawiających zależność f(l)=U kolejno dla:

d1=40 [mm]

a1=69 [V/mm]

błąd a1=4 [V/mm]

b1=499[V/mm]

błąd b1=26 [V/mm]

współczynnik korelacji = 0.99

d2=80 [mm]

a2=48 [V/mm]

błąd a2=2 [V/mm]

b2=-738 [V/mm]

błąd b2=19 [V/mm]

współczynnik korelacji = 0.99

d3=120[mm]

a3=34 [V/mm]

błąd a3=3.5 [V/mm]

b3=-940,33 [V/mm]

błąd b3=33,27[V/mm]

współczynnik korelacji = 0.99

Obliczanie teoretycznych wartości natężenia pola elektrycznego (Et) (dla poszczególnych wartości d i zadanego napięcia między okładkami) oraz względnego odchylenia (wartości doświadczalnych natężenia pola elektrycznego (Ed) od wartości teoretycznych (Et)

Teoretyczną wartość natężenia pola elektrycznego obliczamy korzystając ze wzoru Et=U/d [v/m]. Obliczamy wartość ΔE wiedząc, że ΔE=Et-Ed (wartość Ed jest równa współczynnikowi kierunkowemu a). Wartość błędu obliczamy ze wzoru: δ=|ΔE|/Et*100%. Wyniki zestawiamy w tabeli nr 2.

Tabela nr 2.

D1=40 mm			d2=80 mm			d3=120 mm
Ed [V/mm]	Et [V/mm]	δ [%]	Ed [V/mm]	Et [V/mm]	δ [%]	Ed [V/mm]	Et [V/mm]	δ [%]
69,00	75	8	47,67	37,5	27	33,67	25	35

Wyniki różnią się od wielkości tablicowych z następujących powodów:

• niedokładność podziałki określającej odległość sądy od lewej okładki kondensatora oraz konieczność użycia linijki przy mierzeniu odległości między okładkami;

• niedokładne odczytanie wyników z woltomierza (wstrząsy, nierówności stołu);

• trudności z ustawieniem odpowiedniego płomienia na sądzie (zbyt duży płomień mógł spowodować zakłócanie pomiaru);

00-04-06

4

---