Методические указания к выполнению лабораторной работы №23 по физике для студентов всех форм обучения Хабаровск (стр. 2 из 2)

Полученное соотношение (1) может быть использовано для определения одной из величин, входящих в него. В этой работе оно применяется для определения неизвестных емкостей конденсаторов, емкости при их параллельном и последовательном соединении.

Плоский конденсатор состоит из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на близком расстоянии d одна от другой и имеющих заряды, равные по величине, но противоположные по знаку. Электрическая емкость плоского конденсатора

где e – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей конденсатор.

Если между обкладками конденсатора находится воздух (e = 1), тогда емкость такого конденсатора

(2)

где С – емкость конденсатора, между пластинами которого находится исследуемый диэлектрик;

– емкость этого же конденсатора при отсутствии диэлектрика между пластинами; – диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Следовательно, диэлектрическая проницаемость диэлектрика, находящегося между пластинами:

. (3)

Приведем схему измерительной установки (рис. 2).

Рис. 2. Схема установки

Исследуемый конденсатор заряжается от источника постоянного напряжения, а затем автоматически действующий переключатель АП отсоединяет одну из обкладок от источника и замыкает обкладки конденсатора на микроамперметр. При замыкании контактов 1 – 2 происходит зарядка конденсатора, а при замыкании 2 – 3 конденсатор разряжается. Цикл «зарядка-разрядка» повторяется с частотой работы переключателя (частота работы переключателя равна частоте тока, питающего переключатель, в нашем случае f = 50 Гц). Сопротивление микроамперметра и емкость конденсатора выбраны столь малыми, что конденсатор успевает зарядиться или разрядиться менее чем за 0,01 с. Период собственных колебаний подвижной системы микроамперметра значительно больше этой величины.

Напряжение U устанавливается с помощью потенциометра R и измеряется вольтметром. Зная напряжение на конденсаторе, ток, текущий через микроамперметр, и частоту работы автоматического переключателя, можно определить неизвестную емкость конденсатора по формуле (1).

В качестве автоматического переключателя используется поляризованное реле (рис. 3).

Рис. 3. Схема автоматического переключателя

На ферромагнитном сердечнике М помещена катушка В, по которой пропускают переменный ток с частотой 50 Гц. Между концами сердечника помещен намагниченный стержень – якорь Я. При отсутствии в катушке тока якорь располагается точно посередине между наконечниками P и Q. Когда в катушке В идет ток, то он создает магнитное поле и якорь притягивается к одному из полюсов P или Q в зависимости от направления тока в катушке В. При этом клемма 1 соединяется через якорь, контакты К и L – поочередно с клеммами
2 и 3. Тем самым конденсатор то заряжается, то разряжается 50 раз в секунду.

Передняя панель установки для измерения емкостей конденсатора и диэлектрической проницаемости масла изображена на рис. 4.

Рис. 4. Передняя панель установки

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Тумблер «Сеть» установить в положение «Вкл» (рис. 4).

2. Переключатель 1 установить в положение «С_и» (известный конденсатор).

3. Вращая потенциометр 2, добиться, чтобы отклонение стрелки микроамперметра было равно 6–10 мкА.

4. Снять показания вольтметра и микроамперметра. Используя выраже-
ние (1), вычислить емкость С_и известного конденсатора. Полученное значение емкости конденсатора сравнить со значением, указанным на конденсаторе.

5. Переключатель 1 перевести в положение «С₁» и аналогично предыдущему определить его емкость С₁.

6. Переключатель 1 перевести в положение «С₂» и определить емкость С₂.

7. Переключатель 1 перевести в положение «С_пар» (при этом конденсаторы С₁ и С₂ соединяются параллельно) и измерить емкость полученной батареи конденсаторов.

8. Рассчитать емкость С_пар теоретически и сравнить со значением С_пар, полученным экспериментально.

9. Переключатель 1 перевести в положение «С_пос» (при этом конденсаторы С₁ и С₂ соединяются последовательно) и измерить емкость полученной батареи конденсаторов.

10. Рассчитать емкость С_пос теоретически и сравнить со значением С_пос, полученным экспериментально.

11. Переключателем 1 включить в схему конденсатор переменной емкости С_в. Измерить его емкость, когда между пластинами находится воздух (e воздуха принять равной 1).

12. Переключателем 1 включить в схему конденсатор переменной емкости С_м , находящийся в масле. Измерить емкость конденсатора С_м.

13. Определить диэлектрическую проницаемость масла по формуле (3).

14. Все измерения проводить не менее трех раз, результаты измерений занести в таблицу.

15. Рассчитать средние значения всех емкостей и результаты занести в клеточки, отмеченные крестиком.

Таблица результатов измерений

Номер опыта

Си

С1

С2

Спар

Спос

Св

См

i

U

C

i

U

C

i

U

C

i

U

C

i

U

C

i

U

C

i

U

C

1 2 3

х

х

х

х

х

х

х

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Что такое электроемкость уединенного проводника и какими единицами она измеряется?

2. От чего зависит электроемкость уединенного проводника?

3. Что такое конденсатор? Какие типы конденсаторов существуют?

4. От чего зависит емкость конденсатора?

5. От чего зависит энергия и плотность энергии электростатического
поля?

6. Вывести формулу электроемкости плоского конденсатора?

7. Вывести формулу последовательного соединения конденсаторов.

8. Вывести формулу параллельного соединения конденсаторов.

9. Как будет изменяться потенциал изолированного заряженного мыльного пузыря при уменьшении его объема?

10. Как изменится электроемкость конденсатора при увеличении заряда на пластинах в 3 раза?

11. Что называется диэлектрической проницаемостью и как она влияет на емкость конденсатора?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трофимова Т. И. Курс физики / Т. И. Трофимова. – М. : Academia, 2010. – 560 с.

2. Детлаф А. А. Курс физики / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М. : Academia, 2010. – 720 с.

3. Савельев И. В. Курс общей физики. В 3 т. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика / И. В. Савельев. – СПб. : Лань, 2008. – 496 с.

4. Терентьев Н. Л. Электричество. Электромагнетизм : учеб. пособие
/ Н. Л. Терентьев. – Хабаровск : Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2003. – 120 с.

Оглавление

1. Емкость конденсатора. Общие сведения ....................................................... 3

2. Методика эксперимента и экспериментальная установка ............................ 5

3. Порядок выполнения работы ........................................................................ 9

4. Контрольные вопросы и задания ................................................................ 10

Библиографический список............................................................................... 11

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА

И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МАСЛА

МЕТОДОМ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ЗАРЯДКИ И РАЗРЯДКИ
КОНДЕНСАТОРА

Методические указания

к выполнению лабораторной работы № 23 по физике

для студентов всех форм обучения

Владимир Ильич Нестеров

Главный редактор Л. А. Суевалова

Редактор Е. Н. Ярулина

Подписано в печать 22.09.11. Формат 60 × 84 ¹/₁₆. Бумага писчая. Гарнитура «Таймс».
Печать цифровая. Усл. печ. л. 0,7. Тираж 150 экз. Заказ .

Издательство Тихоокеанского государственного университета.

680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.

Отдел оперативной полиграфии издательства
Тихоокеанского государственного университета.

680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.