Bielsko-Biała dn,2001-04-02

Ćwiczenie 61

Wyznaczanie natężenia i potencjału pola elektrycznego metodą sądy płomykowej.

Zdzisław Hubka

Bogusław Pająk

Paweł Wyród

grupa 6

Wprowadzenie.

W przewodniku umieszczonym w polu elektrycznym indukują się ładunki i jego potencjał jest różny od zera. Wykonanie poprawnego pomiaru tego potencjału za pomocą elektrometru jest trudne. Po podłączeniu miernika część ładunków odpływa z przewodnika do elektrometru, zmieniając potencjał ciała. W celu uzyskania niesfałszowanego wyniku, należy uzupełnić odpływające ładunki. Istnieje kilka sposobów doprowadzenia do równowagi zakłóconego pomiarem stanu: odrzuceniem zbędnych ładunków za pomocą odrywających się od sondy kropel, dostarczenie ładunku za pomocą płomienia, lub stosowania zaostrzonych sond.

Ten ostatni rodzaj jest skuteczny w bardzo silnych polach.

W poniższym ćwiczeniu stosujemy tzw. sondę płomykową. Płomień jest źródłem dużej liczby jonów obydwu znaków i dostarcza ładunków, które odpłynęły od przyrządu pomiarowego. Niestety płomień i przewodnik zakłócają także pole, więc powinny być one małe, by zakłócenia były nieznaczne.

Część teoretyczna:

Źródłem pól elektrostatycznych są ładunki elektryczne. Pole elektryczne jest to przestrzeń, w której na umieszczony ładunek elektryczny działa siła. Wielkościami charakteryzującymi pole elektryczne są:

• 
  
  natężenie pola elektrycznego E - jest to stosunek siły F działającej na ładunek elektryczny q umieszczony w tym polu.

- potencjał pola elektrycznego V - jest to stosunek pracy sił zewnętrznych, niezbędnej do przesunięcia ładunku z nieskończoności do danego punktu pola - wartość tego ładunku.

Zależność między potencjałem a natężeniem pola elektrycznego dana jest wzorem:

Wartość natężenia pola elektrycznego można wyliczyć znając rozkład potencjału:

Znak minus oznacza, że zwrot wektora E wskazuje kierunek, w którym potencjał maleje.

Pole elektryczne w powietrznym kondensatorze płaskim.

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. Oznacza to, że wartość natężenia pola elektrycznego jest stała a potencjał zmienia się liniowo wraz z odległością.

Dla liniowego rozkładu potencjału, natężenie pola elektrycznego wyznacza współczynnik kierunkowy funkcji liniowej.

Aparatura.

Między okładki kondensatora płaskiego P1, P2 umieszcza się sondę R, która jest bardzo cienką rurką, przez którą przepływa gaz świetlny. Koniec sondy znajduje się na osi symetrii płytek. Gaz pali się, tworząc na końcu rurki maleńki płomyk. Sonda zamocowana jest na izolowanym statywie, który można przesuwać wzdłuż osi kondensatora. Całość osłonięta jest szklaną gablotą zaopatrzoną w automatyczny wyłącznik, który wyłączy prąd zasilający
w chwili, gdy gablotę się otwiera, zabezpieczając przed porażeniem. Źródłem wysokiego napięcia jest elektroniczny zasilacz.

Pomiar.

W celu wykonania pojedynczego pomiaru należy: ustawić płytki kondensatora równolegle
w zadanej odległości d , połączyć obwód elektryczny według rys.1, włączyć gaz, zapalić sondę i zamknąć szafkę, zwolnić wskazówkę woltomierza i skontrolować jego ustawienie. Po wykonaniu tych czynności należy włączyć zasilacz wysokiego napięcia i wykonać pomiar potencjału. W ćwiczeniu można badać rozkład potencjału pomiędzy płytkami lub zależność potencjału od przyłożonego napięcia.

Rys.1

Tabele pomiarów i wyników.

Na początku wykonaliśmy 3 serie pomiarów napięcia sondy płomykowej dla różnej odległości pomiędzy płytkami kondensatora. Napięcie między okładkami kondensatora wynosiło 3000V . Pierwsza seria dla d₁ = 40mm, druga dla d₂ = 80mm, trzecia dla d₃ = 120mm. Dla każdej z serii odczytów sonda była przesuwana dla d₁ o 2mm wykonano 15 odczytów, dla d₂ o 3mm wykonano 19 odczytów i dla
d₃ o 3mm i wykonano 26 odczytów. Odczyty były wykonywane były począwszy od punktu, w którym potencjał wynosił 600V.

Wyniki pomiarów potencja łów zestawiono w tabeli nr1.

Tabela nr 1.

d1 = 40mm		d2 = 80mm		D3 = 120mm
U [V]	l [mm]	U [V]	l [mm]	U [V]	l [mm]
600	9	600	19	600	36
800	11	700	22	650		39
980	13	830	25	720		42
1140	15	940	28	800		45
1320	17	1070	31	870		48
1520	19	1200	34	920		51
1700	21	1320	37	1020		54
1870	23	1460	40	1050		57
2040	25	1600	43	1180		60
2260	2,7	1730	46	1260		63
2440	2,9	1880	49	1320		66
2600	31	2020	52	1420		69
2800	33	2170	55	1520		72
2940	35	2300	58	1620		75
3000	37	2450	61	1700		78
		2580	64	1790		81
		2720	67	1890		84
		2870	70	2000		87
		3000	73	2110		90
				2230		93
				2340		96
				2480		99
				2590		102
				2700		105
				2840		108
				2950		111

Przy użyciu programu komputerowego obliczyliśmy współczynniki nachylenia prostych regresji.

Wyniki.

Po wykonaniu ćwiczenia wartości wprowadziliśmy do komputera w celu wyznaczenia prostej regresji, której parametr liniowy a odpowiada wartości natężenia pola elektrycznego Ed.

Obliczyliśmy natężenie pola elektrycznego E_t dla poszczególnych wartości d i zadanego napięcia między okładkami. Następnie względne odchylenia δ (wyrażone w procentach) wartości doświadczalnych natężenia pola elektrycznego E_d od wartości teoretycznych E_t, ze wzoru:

δ  Δ /E_t ∗ 100%

gdzie ΔE = E_d - E_t

Wyniki zestawiono w tabeli nr 2.

Tabela nr 2

d1 = 40mm			d2 = 80mm			d3 = 120mm
Ed[V/mm]	Et[V/mm]	δ[%]	Ed[V/mm]	Et[V/mm]	δ[%]	Ed[V/mm]	Et[V/mm]	δ[%]
90,69	75	20,92	46,33	37,5	31,54	39,66	24,58	61,35

---