Akademia Techniczno-Humanistyczna Bielsko-Biała dnia 15.11.2011r.
w Bielsku-Białej
Wydział BMiI
Kierunek: MiBM
ĆWICZENIE 61
Temat :
Wyznaczanie natężenia pola elektrycznego metodą sondy płomykowej
Wykonał:
Szymon Wojtaluk
Bartłomiej Kleszcz
Nr grupy 115
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 16 odczytów, dla d2 o 3mm wykonano 21 odczytów dla d3 o 3mm i wykonano 29 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 |
10 |
600 |
20 |
600 |
36 |
750 |
12 |
675 |
23 |
655 |
39 |
915 |
14 |
790 |
26 |
710 |
42 |
1105 |
16 |
900 |
29 |
775 |
45 |
1255 |
18 |
1015 |
32 |
835 |
48 |
1425 |
20 |
1125 |
35 |
900 |
51 |
1600 |
22 |
1250 |
38 |
965 |
54 |
1780 |
24 |
1375 |
41 |
1035 |
57 |
1955 |
26 |
1500 |
44 |
1100 |
60 |
2145 |
2,8 |
1640 |
47 |
1180 |
63 |
2300 |
30 |
1775 |
50 |
1260 |
66 |
2485 |
32 |
1910 |
53 |
1335 |
69 |
2655 |
34 |
2060 |
56 |
1430 |
72 |
2810 |
36 |
2200 |
59 |
1515 |
75 |
2940 |
38 |
2340 |
62 |
1620 |
78 |
2985 |
40 |
2495 |
65 |
1700 |
81 |
|
|
2645 |
68 |
1790 |
84 |
|
|
2795 |
71 |
1915 |
87 |
|
|
2910 |
74 |
2025 |
90 |
|
|
2990 |
77 |
2130 |
93 |
|
|
3000 |
80 |
2255 |
96 |
|
|
|
|
2360 |
99 |
|
|
|
|
2430 |
102 |
|
|
|
|
2540 |
105 |
|
|
|
|
2655 |
108 |
|
|
|
|
2800 |
111 |
|
|
|
|
2885 |
114 |
|
|
|
|
2990 |
117 |
|
|
|
|
3000 |
120 |
Przy użyciu programu komputerowego obliczyliśmy współczynniki nachylenia prostych regresji oraz względne odchylenia wartości doświadczalnych do wartości teoretycznych.
|
d=40mm |
d=80mm |
d=120mm (nieliniowa) |
a = Ed |
83,702 |
43,253 |
33,556 |
Δa |
1,137 |
0,6 |
1,5 |
b |
23,599 |
35,361 |
96,678 |
Δb |
30,285 |
0,32 |
0,016 |
Współczynnik "a" funkcji liniowej napięcia od odległości (w przypadku gdy d=120mm. zależność ta staje się nieliniowa) odpowiada natężeniu pola elektrycznemu pomiędzy płytkami kondensatora, które w polu jednorodnym powinno być wielkością stałą.