background image

Akademia Techniczno-Humanistyczna 
w Bielsku - Białej  
Wydział Nauk o Materiałach i Środowisku 
Kierunek:  Budownictwo 
I rok, II semestr 

 
 
 
 
 
 
 

Ćwiczenie nr 61 

 

„Wyznaczanie natężenia pola 

elektrycznego metodą sondy 

płomykowej.” 

 

 

 
 
 
 
 
 

 

 

 
 
 

Robert Sikorski 

G5/2011/BD58 

Budownictwo 

(niestacjonarne) 

 

background image

I. 

CZĘŚĆ TEORETYCZNA 

 
1)  Pole elektryczne  

Ładunki działają na siebie wzajemnie. Wynika stąd, że wokół każdego ładunku 

występuje obszar, w którym działają siły elektrostatyczne. Obszar ten nazywamy polem 

elektrycznym 

Pole elektryczne stałe w czasie nazywamy polem elektrostatycznym. Podobnie, jak w polu 
grawitacyjnym, tak i tu pole obrazują linie pola, czyli linie, do których wektor natężenia pola 
w każdym punkcie jest styczny. 
wielkości charakteryzujące pole elektryczne to: natężenie i potencjał tego pola
 
Natężeniem pola  elektrycznego E nazywamy stosunek siły F, jaką pole działa na ładunek 
próbny q

0

 umieszczony w danym jego punkcie do wartości tego ładunku: 

 

0

3

q

F

s

A

kg

m

C

N

E





 

 

q

– to ładunek próbny, czyli jest to ładunek dodatni o bardzo małym punktowym (w 

przypadku pola elektrostatycznego nieruchomym) umieszczonym w danym punkcie pola 

elektrycznego.  

F – to siła działająca w polu na ten ładunek 

Pole  elektrostatyczne  w  danym  punkcie  przestrzeni  można  scharakteryzować  podając  jego 
potencjał  elektryczny.  Potencjał  elektryczny  V  w  danym  punkcie  pola  jest  to  stosunek 
energii potencjalnej   E

p

  ładunku próbnego dodatniego q

0

 umieszczonego w tym punkcie do 

wartości tego ładunku: 
 

V

s

A

m

kg

C

J

V

q

E

V

p

3

2

0

 

 
Różnice potencjałów 

V miedzy dwoma punktami pola elektrycznego okreslamy jako 

napiecie elektryczne U: 
 

[V]

 

V2)

-

(V1

 

=

V

=

U

 

 
Związek pomiędzy wartością natężenia pola E  i potencjałem, V  

 





m

V

l

V

E

 

Powyższa zależność określa wartość natężenia pola elektrostatycznego jako stosunek spadku 
potencjału -

V na niewielkim odcinku prostopadłym do powierzchni ekwipotencjalnej 

(powierzchnia równego potencjału) do długości 

l tego odcinka. Znak „ – ” wynika stąd, że 

zwrot wektora E jest przeciwny do spadku potencjału. 
 
 

background image

Gęstość powierzchniową ładunku określamy jako: 
 





2

m

C

S

q

 

 
gdzie: 

q

- to ładunek elektryczny znajdujący się w elementarnej powierzchni 

S

 

 
Związek między gęstością powierzchniową ładunku i natężeniem pola elektrycznego.  
 

Ważny  jest  związek  między  gęstością  powierzchniową  ładunku  i  natężeniem  pola 

elektrycznego,    który    można    zastosować    np.    do    obliczenia    wartości  na    podstawie 
znajomości natężenia pola elektrycznego E
Rozważmy  dwie  przewodzące  płytki,  o  jednakowych  rozmiarach  (powierzchnia  każdej 
z  płytek  wynosi  S)  ustawione  w    odległości  d    od    siebie.    Przypuśćmy,  że    na    jednej  
płytce  znajduje  się  ładunek  Q  a  na  drugiej  –  Q,  a  odpowiednie  wartości  potencjałów 
oznaczymy przesz V

i V

2

. Zakładając pole jednorodne w całym obszarze między płytkami, 

odpowiednia gęstość ładunku na wewnętrznej powierzchni jednej z płytek wynosi: 
 

E

d

V

V

0

2

1

0

)

(

 





2

m

C

 

gdzie: 

12

0

10

85

,

8

 [F/m] – przenikalność elektryczna próżni. 

 

Sonda płomykowa - to 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.  
 

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.

 

 

 

II. PRZEBIEG ĆWICZENIA 

Po przygotowaniu układu przystąpiliśmy do wykonania ćwiczenia zgodnie z instrukcją tzn.  

1.  Sprawdzamy czy zasilacz jest wyłączony 
2.  Zapalamy sondę płomykową i ustawiamy jak najmniejszy płomień 
3.  Włączmy zasilacz i woltomierz 
4.  Ustawiamy sondę w takim położeniu aby woltomierz wskazywał 600V 
5.  Wykonujemy pomiar potencjału przez przesuwanie sondy co 2 mm dla d=40 mm  i co 

3 mm dla d=80mm oraz d=120mm 

 

background image

dla różnych odległości d między okładkami kondensatora wielokrotnie dokonaliśmy pomiaru 
potencjału, wyniki są zamieszczone w tabeli nr 1: 
 

Tabela 1.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Gdzie: 

U – potencjał 

 

 l – wartość określająca położenie sondy względem okładek kondensatora  

d  - odległość między płytkami kondensatora 

 

 

 

 

d=40[mm] 

d=80[mm] 

d=120[mm] 

l

l

[mm] 

10 

21 

36 

 

V

l

 [V] 

V

l

 [V] 

V

l

 [V] 

1. 

740 

650 

660 

2. 

880 

700 

700 

3. 

1070 

800 

770 

4. 

1230 

920 

840 

5. 

1420 

1020 

890 

6. 

1580 

1150 

960 

7. 

1780 

1260 

1030 

8. 

1960 

1380 

1100 

9. 

2120 

1520 

1180 

10. 

2330 

1640 

1260 

11. 

2490 

1780 

1330 

12. 

2660 

1920 

1420 

13. 

2840 

2040 

1500 

14. 

2960 

2200 

1600 

15. 

 

2340 

1700 

16. 

 

2490 

1780 

17. 

 

2630 

1910 

18. 

 

2780 

1960 

19. 

 

2920 

2060 

20. 

 

 

2170 

21. 

 

 

2300 

22. 

 

 

2400 

23. 

 

 

2530 

24. 

 

 

2620 

25. 

 

 

2760 

26. 

 

 

2870 

27. 

 

 

2980 

background image

 

background image

III. OPRACOWANIE WYNIKÓW. 

1)  W programie komputerowym obliczamy wartości współczynników a, b, funkcji liniowej oraz 

błędów 

a, 

b. Wyniki w poniższej tabeli: 

 
 

2)  Obliczamy teoretyczne wartości natężenia pola elektrycznego E

t  

dla poszczególnych 

wartości d i zadanego napięcia miedzy okładkami (wartość napięcia odczytana z 
zasilacza WN wynosi U = 3kV = 3000V)

.  

 

 
 

 

 

 

 

E

t

=U / d  [V/mm] 

 

d - odległość między płytkami kondensatora 

dla d = 40 mm 

5

7

40

3000

E

t

V/mm 

dla d = 80 mm 

5

,

37

80

3000

E

t

V/mm 

dla d = 120 

25

120

3000

E

t

V/mm

3)  Ze współczynnika a prostej regresji wyznaczamy natężenie pola elektrycznego E

, gdyż 

wartości są równe wartościom E

d

: 

 

dla d = 40 mm 

E

d

 = 88,0 V/mm 

dla d = 80 

E

d

 = 49,0 V/mm 

dla d = 120 mm 

E

d

 = 38,4 mm 

4)  Obliczamy względne odchylenia 



(wyrażone w procentach) wartości doświadczalnych 

natężenia pola elektrycznego E

od wartości teoretycznych E

t

 ze wzoru: 

 

%

100

E

E

-

E

=

t

t

d

 

dla d

1

 = 40 mm

%

3

,

17

%

100

75

75

88

=

 

dla d

2

 = 80 mm

%

31

%

100

37,5

5

,

37

49

=

dla d

3

 = 120 mm

%

54

%

100

25

25

4

,

38

 

Wyniki obliczeń zestawiamy w poniższej tabelce: 

 

d=40[mm] 

d=80[mm] 

d=120[mm] 

a = 88 V/mm 

a = 0,65 V/mm  a= 49 

a=0,33 

a=38,4 

a=0,4 

b = -334 V/mm 

b = 17,0 

b= -837 

b=23 

b= -1516 

b=41 

d

l

=40 mm 

d

2

=80 mm 

d

3

=120 mm 

E

[V/mm] 

E

[V/mm] 

 

[%] 

E

[V/mm] 

E

[V/mm] 

 

[%] 

E

[V/mm] 

E

[V/mm] 

 

[%] 

88 

75 

17,3 

49 

37,5 

31 

38,4 

25 

54 

background image

5)  Obliczamy gęstości powierzchniowe ładunku 

d

  

na wewnętrznej powierzchni jednej z 

płytek, na podstawie trzech doświadczalnych zależności U=f(l) wyznaczonych w pkt.1. 





m

F

mm

V

E

d

0

 

d = 40 mm 
E

= 87,8 [V/mm] 





























2

7

2

13

2

15

3

12

12

0

10

8

,

7

10

8

,

7

10

8

,

778

10

10

85

,

8

8

,

87

10

85

,

8

88,0

mm

C

mm

C

mm

C

mm

F

mm

V

m

F

mm

V

E

d

 
 
d = 80 mm 
E

d

=48,7 [V/mm] 













2

7

2

13

12

0

10

34

,

4

10

34

,

4

10

85

,

8

49

mm

C

mm

C

m

F

mm

V

E

dl

 

 
d = 120 mm 
E

dl

=38,4 [V/mm] 













2

7

2

13

12

0

10

4

,

3

10

40

,

3

10

85

,

8

4

,

38

mm

C

mm

C

m

F

mm

V

E

dl

 

 
Wyniki obliczeń zestawiamy w poniższej tabelce: 

 
6)  Dla wszystkich 3 przypadków liczymy liczbę elektronów przypadającą na 1 mm

2

 

powierzchni płytki. Otrzymuje się ją przez podzielenie obliczonych wartości 



przez 

ładunek elementarny e = 1,602·10

-19 

C = 1,602·10

-13 

 
Dla d=40mm 

liczba elektronów 





2

6

2

13

7

1

10

0

,

5

10

602

,

1

10

8

,

7

mm

C

mm

C

e

 

 
Dla d=80mm 

liczba elektronów 





2

6

2

13

7

1

10

7

,

2

10

602

,

1

10

34

,

4

mm

C

mm

C

e

 

 
Dla d=120mm 

liczba elektronów 





2

6

2

13

7

1

10

1

,

2

10

602

,

1

10

4

,

3

mm

C

mm

C

e

 

d

1

=40mm 

d

2

=80mm 

d

3

=120mm 

E

d

 

[V/mm] 

σ 

x 10

-7

[μC/mm

2

E

d

 

[V/mm] 

σ 

x 10

-7

[μC/mm

2

E

d

 

[V/mm] 

σ 

x 10

-7

[μC/mm

2

88 

7,8 

49 

4,34 

38,4 

3,4 

background image

d=40mm 

d=80mm 

d=120mm 

liczba elektronów 

[1/mm

2

liczba elektronów 

[1/mm

2

liczba elektronów 

[1/mm

2

5,0*10

6

 

2,7*10

6

 

2,1*10

6

 

 

 

IV. WNIOSKI. 

Wyniki  różnią  się  od  wielkości  tablicowych  z  powodu  niedokładności  podziałki 

określającej odległość sondy od lewej okładki kondensatora, w ćwiczeniu używaliśmy linijki 
do zmierzenia odległości między okładkami. Błędy pojawiły się przy odczytywaniu wyników 
z woltomierza (drgania wskazówki spowodowane wstrząsami stołu).