I Pracownia Zakładu Fizyki PL
Kidaj Andrzej					grupa ED 3.1
data: 09.12.1997	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.

---