1

Ćw. 61

Politechnika Łódzka

Filia w bielsku-Białej

ĆWICZENIE 61

Temat: Badanie natężenia pola elektrycznego za pomocą sondy płomykowej.

1. Wstęp teoretyczny

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. 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 3 mm i wykonujemy pomiar potencjału w kolejnych 9 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 5 mm. Dla d=80 mm wykonujemy 11 punktów pomiarowych, a dla d=120 mm aż 14 punktów pomiarowych.

Wyniki pomiarów zestawiamy w tabeli nr 1.

3. Wyniki pomiarów i obliczenia.

Tabela nr 1.

d1 = 40 mm			d2 = 80 mm		d3 = 120 mm
U	L	U		l	U	l
V	Mm	V		mm	V	mm
600	10	600		21	600	38
740	12	705		24	660	41
920	14	825		27	730	44
1080	16	950		30	800	47
1240	18	1080		33	870	50
1405	20	1200		36	940	53
1560	22	1330		39	990	56
1735	24	1455		42	1065	59
1915	26	1590		45	1150	62
2075	28	1710		48	1230	65
2255	30	1845		51	1300	68
2430	32	1990		54	1390	71
2590	34	2125		57	1480	74
2755	36	2270		60	1575	77
2900	38	2405		63	1695	80
2980	40	2550		66	1765	83
		2700		69	1875	86
		2830		72	1980	89
		2945		75	2085	92
					2200	95
					2325	98
					2435	101
					2565	104
					2720	107
					2795	110
					2890	113
					2940	116

l - odległość sondy płomykowej od lewej okładki kondensatora;

U - napięcie;

Przy użyciu programy komputerowego, wyznaczyliśmy współczynniki a1, b1, a2, b2, a3, b3 w celu narysowania trzech wykresów przedstawiających zależność f(l)=U kolejno dla:

d1= 40 [mm]

a1= 82 [V/mm]

a1= 0,8 [V/mm]

b1= -232

b1= 26

d2= 80 [mm]

a2= 44 [V/mm]

a2= 0,3 [V/mm]

b2= -375

b2= 23

d3= 120 [mm]

a3= 31 [V/mm]

a3= 0,6 [V/mm]

b3= -825

b3= 178

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 E wiedząc, że E=Et-Ed (wartość Ed jest równa współczynnikowi kierunkowemu a). Wartość błędu obliczamy ze wzoru: =|E|/Et*100%. Wyniki zestawiamy w tabeli nr 2.

d1=40 [mm]

E d= a= 82 [V/mm]

E= Et-Ed=75-82= -7 [V/mm]

d2=80 [mm]

E d= a= 44 [V/mm]

E= Et-Ed=37,5-44= -6,5 [V/mm]

d3=120 [mm]

E d= a= 31 [V/mm]

 E= Et-Ed=25-31= -6 [V/mm]

Tabela nr 2.

d1=40 mm			d2=80 mm			d3=120 mm
Ed [V/mm]	Et [V/mm]	 [%]	Ed [V/mm]	Et [V/mm]	 [%]	Ed [V/mm]	Et [V/mm]	 [%]
82	75	9	44	37,5	17	31	25	24

4. Wnioski

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);