I Pracownia Zakładu Fizyki PL
Prokopiuk Paweł					grupa MD 102.6a
data: 07.04.2003	nr ćwicz.: 1.1		Badanie pola elektrycznego wytworzonego między elektrodami o różnych kształtach.
Zaliczenie:		Ocena:		Data:	Podpis:

TROCHĘ TEORII:

Pole elektryczne jest postacią materii wywołującą wzajemne oddziaływanie ładunków elektrycznych. Szczególnym przypadkiem pola elektrycznego jest pole elektrostatyczne Jest to pole stacjonarne, którego źródłem w dowolnym inercjalnym układzie odniesienia są ładunki elektryczne niezmienne w czasie i pozostające w spoczynku w tym układzie. Nieruchome ładunki elektryczne mogą być rozmieszczone w przestrzeni albo w sposób nieciągły - w oddzielnych punktach (ładunki punktowe), albo w sposób ciągły - wzdłuż pewnej linii, na powierzchni pewnego ciała lub w jego objętości.

Natężenie pola elektrostatycznego jest to wielkość fizyczna, którą określa się z równania definicyjnego:

Natężenie pola elektrostatycznego w danym punkcie pola jest równe liczbowo sile działającej na umieszczony w tym punkcie jednostkowy ładunek dodatni q₀. Zakłada się, że punktowy ładunek próbny q₀ nie uczestniczy w wytwarzaniu pola i nie zniekształca go. W przypadku pola wytwarzanego przez elektryczny ładunek punktowy q, siłę F określa się z prawa Coulomba:

gdzie ε₀=8,9⋅10^-12[F/m] jest przenikalnością próżni, ε_r - względną przenikalnością elektryczną ośrodka, r - odległością między ładunkiem q i q₀.

Natężenie pola wytworzonego przez ładunek punktowy wyraża wzór:

Pole elektrostatyczne przedstawia się zwykle za pomocą tzw. linii sił pola lub linii natężenia pola. Są to krzywe, do których styczne w każdym punkcie pokrywają się z kierunkiem natężenie pola E. Zwrot tych linii jest zgodny ze zwrotem wektora natężenia E. Linie sił pola elektrostatycznego nie są liniami zamkniętymi, zaczynają się na ładunkach dodatnich, a kończą się na ładunkach ujemnych z wyjątkiem, gdy jeden z końców linii - początek lub koniec - znajduje się w nieskończoności.

Aby scharakteryzować pole elektrostatyczne pod względem energetycznym wprowadza się wielkość skalarną zwaną potencjałem Jest on w danym punkcie pola równy liczbowo energii potencjalnej jednostkowego ładunku dodatniego umieszczonego w tym punkcie:

Powierzchnią ekwipotencjalną nazywa się miejsce geometryczne punktów pola elektrostatycznego o jednakowym potencjale. W przypadku odosobnionych ładunków punktowych lub naładowanych przewodników kulistych powierzchnie ekwipotencjalne mają kształty sfer. W polu układu ładunków punktowych oraz w otoczeniu ciał naelektryzowanych niekulistych mogą one przyjmować różne nieregularne kształty.

Pod działaniem zewnętrznego pola elektrostatycznego ładunki swobodne (elektrony przewodnictwa) występujące w przewodniku metalowym zmieniają swój rozkład w taki sposób, że natężenie pola w dowolnym punkcie wewnątrz przewodnika staje się równe zero. We wszystkich punktach jego powierzchni składowe wektora natężenia pola również są równe zero. Cała objętość przewodnika jest ekwipotencjalna, podobnie jak jego powierzchnia. W naładowanym przewodniku nieskompensowane ładunki elektryczne rozkładają się jedynie na jego powierzchni. Indukcja elektrostatyczna i natężenie pola w pobliżu zewnętrznej powierzchni naładowanego przewodnika wynoszą odpowiednio:

gdzie σ jest gęstością powierzchniową ładunków elektrycznych na przewodniku.

Rozkład ładunków elektrycznych na powierzchni przewodników różnego kształtu, znajdujących się w jednorodnym dielektryku, zależy od krzywizny powierzchni. Gęstość powierzchniowa wzrasta wraz ze zwiększeniem się krzywizny. Umieszczenie przewodnika nienaładowanego w polu jednorodnym powoduje zaburzenie obrazu linii sił.

Dielektrykami nazywa się substancje nie przewodzące prądu elektrycznego - nie występują w nich swobodne ładunki elektryczne. Nie oznacza to jednak, że zewnętrzne pole elektryczne nie wywiera żadnego wpływu na dielektryk. Pod względem właściwości elektrycznych, cząsteczki dielektryka są dipolami elektrycznymi o momencie p=q⋅l, gdzie q jest ładunkiem dodatnim lub równym mu ładunkiem ujemnym cząsteczki, l - odległością „środków ciężkości: ładunków dodatnich i ujemnych. Jeżeli w przypadku braku zewnętrznego pola elektrostatycznego l=0, to dielektryk nazywa się niepolarnym (niedipolowym), natomiast jeżeli l≠0, wówczas dielektryk nazywa się polarnym (dipolowym).

WYKONANIE ĆWICZENIA:

Aby wykreślić obraz pola elektrycznego, wykorzystuje się ortogonalność linii natężenia i powierzchni ekwipotencjalnych. W celu wyznaczenia powierzchni ekwipotencjalnych należy zmierzyć potencjał poszczególnych punktów pola. W tym celu obserwacje pola elektrostatycznego zamienia się na obserwacje stałego w czasie (stacjonarnego) pola prądu elektrycznego w tej części przestrzeni, gdzie pole ładunków rozłożonych na powierzchni opływanej przez prąd ma identyczną strukturę z danym polem elektrostatycznym.

W kuwecie wykonanej z izolatora z zamontowaną na stałe katodą K, znajduje się drobny wilgotny piasek. Po wyrównaniu piasku i zamocowaniu anody A należało zestawić układ pomiarowy jak na rysunku.

Po włączeniu zasilacza i ustawieniu napięcia zasilającego należało jedno doprowadzenie galwanometru łączyć kolejno z metalowymi zaciskami na brzegu kuwety, zaś drugim doprowadzeniem należało przesuwać po powierzchni piasku tak, aby galwanometr wskazywał zero. Było to dosyć trudne, gdyż galwanometr jest bardzo czułym urządzeniem i przy najmniejszych odchyłkach od punktów leżących na badanej powierzchni ekwipotencjalnej wychylał się bardzo w jedną bądź w drugą stronę. Po wyznaczeniu linii o jednakowym potencjale należało przełączyć doprowadzenie galwanometru do kolejnego zacisku i powtórzyć pomiary. Po wyznaczaniu wszystkich krzywych ekwipotencjalnych należało nałożyć na kuwetę specjalną płytę z pleksiglasu i przerysować na nią linie ekwipotencjalne, a następnie przenieść je na kartkę. Badania linii przeprowadziliśmy umieszczając w dowolnym miejscu przeszkodę z metalu i dielektryka.

WNIOSKI:

Jak widać umieszczenie w polu dielektryka ma niewielki wpływ na zmianę kierunku linii ekwipotencjalnych. Natomiast linie ekwipotencjalne starają się ominąć przewodnik, podobnie jak układają się w kształt anody (im bliżej anody, tym bardziej są do niej równoległe). Ponadto wewnątrz przewodnika w ogóle nie ma pola elektrostatycznego. Znając tą właściwość buduje się ekrany na urządzenia, które emitują silne fale elektryczne, bądź elektromagnetyczne mogące zakłócać pracę innych urządzeń.

Linie sił pola elektrostatycznego wytworzonego przez ładunek punktowy: a - dodatni; b - ujemny

---