ELECTRIC POTENTIAL & FIELD MAPS

  ELECTRIC POTENTIAL & FIELD MAPS    PURPOSE​ :          To map the electric potential of different shapes of charged  conductors, and compute the co...
Author: Calvin Mathews
4 downloads 1 Views 289KB Size
 

ELECTRIC POTENTIAL & FIELD MAPS    PURPOSE​ :          To map the electric potential of different shapes of charged  conductors, and compute the corresponding electric fields from  these maps.     APPARATUS:     ​ DC power supply, multimeter, three field map boards    INTRODUCTION:  ​ The electric field ​ E ​ (a vector) at a given point in space is defined as  the  force  in  N  that  would  be   exerted  on  charge  of  +1  C.  Calculating  the  force  ​ F  exerted  on a point charge of arbitrary magnitude q in an electric field ​ E​  is very simple   

 ​ F = ​ q​ E  

  So  ​ E  can  be  interpreted  as   ​ the  force  per  unit  charge  and  its  MKS  units  are  N/C.  Notice,  the  sign  of  q  matters  a  lot!  The  force  on  a  positive  point  charge  will  point  in  the  same  direction of ​ E​ , while the force on a negative charge will point opposite ​ E​ .    Similarly,  the  electric  potential  V  (a  scalar)  at  a  given  point  in  space  is   defined  as  the  electric  potential  energy  difference,  in  units  of  J  for  a  +1  C  charge,  with  respect  to  a  reference  point.  Calculating  U  of  an  arbitrary  charge  q  in  an  electric  potential  V  is  very  similar to calculating the force   

U = qV     So  V can be interpreted as ​ the potential energy per unit charge ​ and its MKS units are J/C.  This  unit  is  referred  to  as a  ​ volt  and is abbreviated with V (be careful not confuse the ​ unit  with  the  ​ potential​ ).  Just  like  the  potential  energy  U,  the  value  of  V  depends  on  the  reference  point  you  pick.  Generally,  we  are  uninterested in the value of V itself, just how  it  changes  from  point  to point. Often, a reference point is selected where the  value of V is  zero.    Charges  are  not  only  affected  by  electric  fields  and  potentials,  but  they  also  ​ generate  them.  Recall  Coulomb’s  law  from  the  last  lab,  which  describes  the  force  between  two  different  point  charges.  Let  q​ 1  be  located  at  the  origin,   while q​ 2 is  a  distance r  away from  q​ . Using magnitudes only for simplicity, we see that the force exerted on q​  ​ by​  q​  is  1​ 2​ 1​   2​ 2​ |F​ k|q​ q​ |)/r​  = |q​ |(k|q​ |/r​ ) = |q​ ||​ E​   →  |​ E​ |/​ r2 ​ 21| = (​ ​ 1​ 2​ 2​ 1​ 2​ 1|​ ​ 1| = ​ ​ k|q​ 1​

  So  ​ E​ is  the  electric  field  ​ generated  by  q​ 1  ​ 1  and  its  magnitude  is   given  by  the   above  expression.  ​ E​   p ​ oints   radially   a ​ way   from   q​   if   q​ towards q​ 1 1 1   is  positive,  and  radially ​ 1 if q​ 1  is  negative.  We  follow  a  similar  logic  using  the potential energy between q​ 1 and  q​ 2 to  get  V​ ; the electric potential ​ g enerated   ​ by q​   1​ 1  

U​  = kq​ q​ /r = q​ (kq​ /r) = q​ V​   →  V​  = (kq​ /r)  21​ 1​ 2​ 2​ 1​ 2​ 1​ 1​ 1​

  V​ 1  has   no   direction   because  it’s   a  scalar,  but  it  is  positive   or  negative  everywhere  depending  on  the  sign  of  q​ . Another thing worth noting is that the reference point for the  1​ above calculation is at infinity, a common and convenient choice in electrostatics.   

 

Using  the  definition  of  potential  energy,  one can show that the electric potential  and field  are related by    

V = ­ ∫ ​ E​  • ​ ds  

  This  integral  definition  shows  us  that  we  integrate  ​ E  over  a  path  to  yield  V  in  the  same  way  we  integrate  ​ F  over  a  path  to  yield  W,  the  work  done  by  force  ​ F​ .  But  for  the  purposes of this lab it’s better to use a differential definition   

E ​ = ­​ ▽​ V       ​ or​    ​      (E​ , E​ , E​ ) = (­∂V/∂x, ­∂V/∂y, ­∂V/∂z)   x​ y​ z​

  This  above  expression  suggests  another  convenient  way  to  express  the  MKS  units  of the  electric  field,  V/m.  Note;  proof  of  these  expressions  is  not  important  for  this  lab,  regard  them as given until your lecture catches up!    Let's  list  some  properties  of  conductors  in electrostatic equilibrium since we will be using  (and have used) conductors in the lab:    •  All points on and inside a conductor have the same V, i.e., conductors are  equipotentials​  (defined below).  •  ​ E​  directly outside a conductor's surface is perpendicular to the surface at  every point, and zero ​ everywhere inside​  the conductor.  •  Any net charge on a conductor always lies on the surface.    Electric  Field  Lines​ :  Electric  field  lines  are  a  way  of  visualizing  ​ E  near  charged  objects.  The  field  lines  follow  the  direction  of  ​ E​ .  The  lines  are  drawn  such  that  the  number  of  lines per unit area is proportional to the magnitude of ​ E​ .    Equipotential​  ​ Surface​ : A surface of constant V. Often simplified to equipotential.    Equipotential  Lines​ :  Equipotential  lines  are  a  way  of  visualizing equipotentials on paper.  If  the  charge  q  were  able  to  move  along an equipotential line ​ very slowly​ , there would be  no  change  in  the  electrical  potential  energy  of  q  (recall  that  W  =  ▵U,  since U = qV, W =  q▵V = 0). Thus, ​ E ​ would do no work on the charge!    From the definitions of equipotentials, ​ E​ , and V, some properties of the lines follow:    • Electric field lines are always perpendicular to equipotential lines.  • Electric field lines point from higher equipotential lines to lower ones.  • Equipotential lines describe a path and/or surface along which a charge  can move with no external work being done.    Let’s consider an example, see Figure 1 on the next page, which shows a charge q at the  origin with it’s electric field lines (solid) and equipotentials (dashed) already drawn. Let  9​ |q| = 1.0 nC, the equipotential lines be separated by a distance of 3 cm. Use k = 9 x 10​  N  2​ 2​ m​ /C​  for Coulomb’s constant for simplicity. 

 

 

 

 

    FIGURE 1   

Let’s  place  another  charge  q​ 0  =  ­3  nC  on  the   positive  x­axis,  on  the  outermost  equipotential line drawn in the figure.     (1)​  Calculate the ​ E​  due to q (magnitude and direction) at the location of q​ .  q​ 0​   2​ 2​ ANSWER:​  |​ E​ | = ​ k|q|/(15 cm)​  = 4 x 10​  N/C, pointing to the right  q​   (2)  Is  the  force  between  the  charges  attractive?  Calculate  ​ F​ ,  the  force  on  q​ 0​ 0  by  q  (magnitude and direction) using ​ E​ .  q​   ANSWER:​  Yes it is attractive, the charges have opposite signs!   ­6​ |​ F0​ ​ |​  = |q​ | |​ Eq​ ​ | = ​ 1.2 x 10​  N, pointing to the left.   0​   (3)​  Calculate the electric potential due to q at the location of q​ .  0​   2​ ANSWER:​  V​  = kq/(15 cm) = +1.8 x 10​  V  q​   (4)​  Calculate the electric potential energy U, between the two charges.    ­7​ ANSWER:​  U = q​ V = ­5.6 x 10​  J  0​   (5)  Electric  potentials  and  fields  obey  the  principle  of  superposition.  What  is  the electric  potential due to both charges at 6 cm on the positive y­axis?    2​ 2​½​ 1​ ANSWER: ​  V​  = V​  + V​  = kq​ /{[(6 cm)​  + (15 cm)​ ]​ } + kq/(6 cm) = 9.4 x 10​  V  tot​ 0​ q​ 0​   (6)  How  much  work  would  it  take  for  an  outside  force  to  move  q​ 0  to  the  innermost  equipotential  line?  Does   your  answer  change  if  the  path  taken  by  q​ 0  isn’t  a  straight  line?    ­7​ ANSWER:​  W = q​ ▵V = q​ (V​  ­ V​ ) = kqq​ (1/(3 cm) ­ 1/(15 cm)) = ­ 7.2 x 10​  J  0​ 0​ q,in​ q,out​ 0​  W only depends on the initial and final distance between q and q​ 0   

 

PROCEDURE:  ​ For  each  configuration  you  will  map  V,  locate  and  plot  four  equipotential  lines  (4,  8,  12,  and  16  all  in  Volts),  and  sketch  ​ E​ .  See  the  next  section  on  how  to  draw  3D  plots  using  Origin  Pro.  In  all  cases  be   careful  to  take  sufficient  data  at  regular  spatial  intervals  in  both  horizontal  and  vertical  directions  to accurately define the  shape  of  the  equipotential  lines,  and thus their corresponding ​ E​ . Since each configuration  is  symmetric,  it  is  sufficient  to  map  V  for  one   half  of  each  configuration,  and  sketch  the  other. The three conductor configurations are: 

  1. two points  2. parallel plates  3. parallel plates with a circular conductor in the middle 

  In  practice,  ​ E  ​ is  difficult  to  measure  directly.  So  instead,  we  measure  V  with  a  multimeter,  relative  to  the  negative  conductor,  which  is  held at a constant potential using  the  power supply and therefore acts as our reference point. Later, components of ​ E ​ can be  calculated  by  taking  the  derivative.  Since  measurements  don’t  give  us  a  function  to  explicitly  differentiate,  we  approximate  components  of  ​ E  like  E​ V/▵x  and  E​ x  ≈  ­  ▵ y  ≈   ­  ▵V/▵y.     Figure  3  shows  one  possible  experimental  arrangement  for  simulating  the  electric  field  between  two  point  charges.  Connect  your  power  supply  (set  to  20  V  at  most)  to  the  two  point­like  conductors  on  the  board  using  the  positive  and  negative  leads  (red  and  black  respectively).                                   

FIGURE 3: ​ The voltmeter above represents the multimeter measuring voltage. 

  The set up in the lab is slightly different from figure 3. First, the power supply only goes as  high as 18V. Second, we can’t connect the multimeter directly to the power supply. Instead,  an equivalent set up is to fix the multimeter’s negative lead (again, black) to the negatively  charged conductor, and set the multimeter to read DC voltage. Now the positive lead on the  multimeter may be used to measure V by ​ gently​  touching it at any point on the board. 

Do not write on, scratch, or gouge the conducting paper on the board.  Replacement is very costly.   

 

To  begin,  note  the  voltage   that   you   set  the  power  supply  to.  Then,  try  taking  some  preliminary  measurements.  Try  touching  the  positive  lead  of  the  multimeter  to  the  negatively  charged conductor, what does it read? What should it read? Then, see if you can  locate an equipotential.     For  the  two  point  configuration,  measure  between  the  points  as  well  as  around  them,  the  equipotential  lines  you  get  should  be  that  of  a  dipole.  For  the  parallel  plates,  measure  potential  in  between  and  outside  of  the  plates.  For  the  plates  with  a  circular  conductor,  make similar measurements but also take measurements inside the ring as well.     APPENDIX: MAKING A 3D GRAPH USING ORIGINPRO    All  data  are  to  be  entered  in  an  OriginPro  matrix  worksheet.  Do  not  include  the   matrix worksheet in your write up.    The  3D  plotting  routine  in  ORIGINPRO  will  plot  the  value  of  a   cell  on  the z­axis and the  location  of  the  cell   as  the  x  and  y  location.  For  example,  if  cell  C(11,3)  has  the   value  17,  then  ORIGINPRO  will  plot  x  =  11,  y  =  3,  and  z  =  17.  In  this  experiment  the  value  of  Z  represents  the  potential.  To  make  a  3D  plot,  first  you  have  to  create  a  2  dimensional  matrix.  These  two  dimensions  represent  x  and  y  axes.  The  matrix  entries  represent  the  values  of  z (i.e. measured  potential). To create one, go to “File”, from  the drop down menu  select  “New”  and  then  “matrix.”  A  window  pops  up where you can select  the number of y  rows  and  x  columns.  You  can  also  select  the  range  of  values  of  x  and  y.  In  the  box  for  “Numbers  of  Matrix  Objects   in  Sheet”,  enter  5.  After  selecting  these  values,  click “OK”.  A  new  window  pops  up  with  an  empty  matrix.  Now  you  can  enter  the  values  of  potential  corresponding  to  each  (x,y).  After  doing  so,  click  on  “Plot”,  from  the  drop  down  menu  select  “3D  surface”  and  “color  fill  surface”.  You  can  change  the  orientation of the plot by  rotating it, and also the size of each axis by zooming the appropriate axes.      To  display  equipotential  lines,  select  another  matrix object and populate all of  its elements   with,  for  example, the potential value 4(V).  Click the 3D plot you made, then select Graph  menu  and  select  plot  setup.  Add  the  second  matrix  object  to  the  plot.  You  can  then  display  both  the  potential  data  surface  and the surface for 4 V.  The intersection of the two  surfaces  would  be   the  equipotential  line.  To  find  other  equipotential  lines,  make  other  matrix objects populated with other values of potential.    Connect  points  on  your  equipotentials  with  smooth  lines  to  produce  equipotential  lines.  Label  the  potentials.  The  ​ E  ​ field  lines  should  be  everywhere  perpendicular  to  the  equipotential  lines,  from  the  defining  relation  between  ​ E  ​ and  V.  The  direction  of  ​ E  ​ is   toward  decreasing  potential  V.  Sketch  the  ​ E  ​ field  lines  on  your  plot. 

 

 

ELECTRIC POTENTIALS & FIELD MAPS   

 

 

Names:​                                                                                                     ​  Section:       Date:     You may do the maps in any order. Refer to the procedure above. Your answers should  be brief, neat, well­written sentences.  Include ​ for each configuration​ , an Origin printout  showing 3­D graph of V vs. x and y, the equipotential lines (at 4, 8, 12 and 16 V), and  sketches of the electric field. Additionally, pick three points and compute the magnitude  and direction of ​ E ​ at each. Indicate the locations of the conductors and which leads  (positive or negative) they were connected to.    Configuration One:               ​ TWO OPPOSITE POINT CHARGES    a) Where is ​ E​  most nearly uniform? 

       

b)  Describe  the  shape  of  the  central  equipotential  line  near  the  midpoint  of  the  conductors.   

       

c) What is the equipotential shape close to the "point" electrodes?              Configuration  Two:              ​ TWO PARALLEL PLATES    a) Describe the shape of ​ E ​ inbetween the plates.   

       

b) Does ​ E ​ extend beyond the edges of the plates?             

   

 

 

 

 

Configuration Three:            ​ HOLLOW CIRCULAR CONDUCTOR  a)  Is there a net charge on the circular conductor? Give an argument based on the shape  of ​ E​  and the equipotential lines. See the introduction for properties of conductors in  electrostatic equilibrium to help craft your argument. 

           

      b) What is V on the conductor ring?  What is V inside the ring?                       

c)  What  should  ​ E  ​ be  inside  the  conducting  circle?  Is  the  inside  of  the  circle  “shielded”  from ​ E​  as expected? Why or why not?