2_2. Электрическое поле точечных зарядов
Ознакомьтесь с конспектом лекций и учебником (Савельев, т.2, §5-10). Запустите программу «Эл-магн.Кванты». Выберите «Электричество и магнетизм» и «Взаимодействие электрических зарядов». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект. (Если вы забыли, как работать с системой компьютерного моделирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ стр.5 еще раз).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Знакомство с моделированием электрического поля от точечных источников.
Экспериментальное подтверждение закономерностей для электрического поля точечного заряда и электрического диполя (ЭД).
Экспериментальное определение величины электрической постоянной.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
электрическим полем (ЭП) называется область пространства, в которой на электрически заряженную частицу действует сила, называемая электрической (кулоновской).
Источником ЭП являются электрически заряженные частицы.
ЗАРЯДОМ (электрическим) называется особая характеристика объекта, определяющая его способность создавать ЭП и взаимодействовать с ЭП. Часто «зарядом» называют заряженную частицу, а «точечным зарядом» - материальную точку, имеющую электрический заряд.
Основные свойства электрического заряда:
Заряд инвариантен – его величина одинакова при измерении в любой инерциальной системе отсчета.
Заряд сохраняется – суммарный заряд изолированной системы тел не изменяется.
Заряд аддитивен – заряд системы тел равен сумме зарядов отдельных тел.
Заряд дискретен – заряд любого тела по величине кратен минимальному заряду, который обозначается символом е и равен 1.6 10-19 Кл.
Существуют заряды двух разных «сортов». Заряды одного «сорта» названы положительными, а другого «сорта» - отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные - притягиваются.
Если вблизи одной заряженной частицы (заряда Q1), расположенной в начале координат, будет находиться вторая заряженная частица (заряд Q2), то на второй заряд будет действовать электрическая (кулоновская) , определяемая законом Кулона: где - радиус-вектор точки наблюдения, - единичный радиус-вектор, направленный в точку наблюдения, 0 - электрическая постоянная.
НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ - характеристика силового действия ЭП на заряд. Напряженность ЭП, создаваемого зарядом Q1 , есть векторная величина, обозначаемая символом ( Q1) и определяемая соотношением , где - сила, действующая на заряд Q2.
линиЯ эП - линия, в любой точке которой вектор напряженности ЭП направлен по касательной к ней.
ЭП подчиняется принципу суперпозиции: напряженность ЭП нескольких источников является суммой векторов напряженности поля, создаваемого независимо каждым источником .
ПОТОКОМ ЭП называется интеграл по некоторой поверхности S от скалярного произведения напряженности ЭП на элемент поверхности: , где вектор направлен по нормали к поверхности.
Закон ГАУССА для ЭП: поток ЭП через замкнутую поверхность S0 пропорционален суммарному заряду, расположенному внутри объема, ограниченного поверхностью интегрирования потока V(S0): .
Линии напряженности электрического поля точечного заряда представляют собой прямые линии, идущие от заряда (положительного) или к заряду.
ПОТЕНЦИАЛОМ данной точки ЭП называется скалярная характеристика ЭП, численно равная работе сил поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки в другую фиксированную точку 0, в которой потенциал принят за 0 (например, в бесконечность): .
У равнение, выражающее напряженность через потенциал: ,
г де оператор градиента grad =
ДИПОЛЬ есть два одинаковых по величине, но противоположных по знаку точечных зарядов Q, расположенных на расстоянии L (L — плечо диполя).
ДИПОЛЬНЫЙ (электрический) момент есть произведение . Вектор направлен от положительного к отрицательному заряду.
Напряженность ЭП диполя вычисляется с использованием принципа суперпозиции для ЭП.
q1
r12 q2
L
q3
Как видно из рисунка, , а для суммарной силы получим .
На линии, проходящей через центр диполя, перпендикулярно электрическому моменту, и на большом расстоянии r от его центра:
.
МЕТОДИКА и ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ
Закройте окно теории. Рассмотрите внимательно рисунок и зарисуйте необходимое в конспект:
ТАБЛИЦА 1. результаты измерений (9 столбцов) | ТАБЛИЦА 2. Значения величины заряда q1 /10-8 Кл (не перерисовывать) | ||||||||||||||
| r (см) = | 20 | 30 | ... | 100 |
| Бригады |
|
|
|
|
| |||
| 1/r2, м-2 |
|
|
|
|
| 1 и 5 | 4 | 6 | 8 | 10 |
| |||
| E1, В/м |
|
|
|
|
| 2 и 6 | 4 | 5 | 9 | 10 |
| |||
| E2, В/м |
|
|
|
|
| 3 и 7 | -4 | -5 | -7 | -9 |
| |||
| E3, В/м |
|
|
|
| 4 и 8 | -4 | -6 | -8 | -10 |
| ||||
| E4, В/м |
|
|
|
|
|
|
Подготовьте таблицу 1, используя образец. Подготовьте также таблицы 3 и 4, аналогичные табл.1, за исключением второй строчки, содержание которой см. в следующем разделе.
Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.
ИЗМЕРЕНИЯ
- Лабораторные работы
- С компьютерными моделями
- Москва - 2002
- Содержание
- Раздел 2. Электричество и магнетизм. Оптика 12
- Введение
- Допуск к лабораторной работе
- Оформление конспекта для допуска к лабораторной работе
- Оформление лабораторной работы к зачету
- Г р а ф и к (требования):
- Вывод по графику (шаблон):
- Вывод по ответу (шаблон):
- Раздел 2. Электричество и магнетизм. Оптика
- 2_1. Движение заряженной частицы в электрическом поле
- Вопросы и задания для самоконтроля
- 2_2. Электрическое поле точечных зарядов
- Эксперимент 1. Исследование поля точечного заряда
- Эксперимент 2. Исследование поля диполя
- Вопросы и задания для самоконтроля
- 2_3. Цепи постоянного тока
- Вопросы и задания для самоконтроля
- 2_4. Магнитное поле
- Вопросы и задания для самоконтроля
- 2_5. Электромагнитная индукция
- Вопросы и задания для самоконтроля
- 2_6. Свободные колебания в контуре
- Вопросы и задания для самоконтроля
- 2_7. Вынужденные колебания в rlc-контуре
- Вопросы и задания для самоконтроля
- 2_8. Дифракция и интерференция
- Вопросы и задания для самоконтроля
- 2_9. Дифракционная решетка
- Вопросы и задания для самоконтроля
- Литература
- Некоторые полезные сведения