ВУЗы по физике Готовые работы по физике Как писать работы по физике Примеры решения задач по физике Решить задачу по физике онлайн

Определение емкости воздушного конденсатора


Основной физической характеристикой диэлектрика служит e — диэлектрическая проницаемость вещества, равная . Для всех веществ , для вакуума . Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз поле (или сила кулоновского взаимодействия между зарядами) в диэлектрической среде слабее, чем в вакууме.

Диэлектрическую проницаемость веществ удобно измерять, используя конденсатор. Последний представляет собой систему двух близко расположенных проводников (так называемых обкладок). Поле, создаваемое таким устройством в заряженном состоянии, практически полностью сосредоточено в пространстве между обкладками. Это значит, что силовые линии вектора Е, начинающиеся на одной обкладке, заканчиваются на другой, т. е. заряды на обкладках должны быть одинаковыми по модулю и противоположными по знаку. Основной характеристикой конденсатора является емкость. Последняя определяется формулой

, (1)

где U — разность потенциалов между обкладками (называемая также напряжением). B CИ за единицу электроемкости принят фарад (Ф). Емкостью в 1 Ф обладает конденсатор, у которого заряд в 1 Кл создает между обкладками напряжение в 1 В. Фарад — чрезвычайно большая единица емкости. Он соответствует емкости уединенного проводящего шара радиусом в 9 млн км, что в 1400 раз превышает радиус Земли. Поэтому емкости используемых на практике конденсаторов измеряются в микрофарадах и пикофарадах (1мкФ=10-6 Ф, 1пФ=10-12 Ф).

Конденсаторы могут иметь различную геометрическую форму. Существуют, например, сферические, цилиндрические и плоские конденсаторы. В данной лабораторной работе экспериментальные измерения связаны с использованием плоского конденсатора (будем называть его измерительным). Плоский конденсатор — устройство, состоящее из двух параллельных плоских проводящих пластин, расстояние между которыми мало по сравнению с линейными размерами пластин. Если объем между пластинами ничем, кроме воздуха, не заполнен, то устройство называется воздушным конденсатором. Его емкость равна

. (2)

Здесь S — площадь пластины, — расстояние между пластинами. Если же объем конденсатора заполнен диэлектриком, то его емкость есть

(3)

где теперь расстояние между пластинами конденсатора определяется толщиной d твердой диэлектрической пластины, диэлектрическая проницаемость которой .

Схема эксперимента.

Работа строится на использовании схем, представленных на рисунках 1 и 2. Здесь С — измерительный конденсатор, R0 — эталонное сопротивление, C0 — эталонный конденсатор, U и U0 — напряжения на измери-

тельном конденсаторе и эталонных элементах R0 и C0 соответственно. Клеммы 1, 2 (рис.1) и 1, 3 (рис.2) служат для поочередного подключения вольтметра к С и R0 (рис.1) или С0 (рис.2). В схеме используется генератор переменного тока частоты .

Особая роль в этой лабораторной работе отводится измерительному плоскому конденсатору С. В первом упражнении, когда конденсатор С является воздушным, а расстояние между его пластинами равно d0, определяется емкость этого конденсатора, причем как в результате теоретического расчета, так и экспериментально (двумя способами).

Во втором упражнении это же устройство заполняют поочередно диэлектрическими пластинами различной толщины ( — это и новое расстояние между обкладками), определяют соответствующие значения емкости и диэлектрической проницаемости :

(4)

Числовые значения постоянных величин d0, R0, C0 и , входящих в расчетные формулы, даны в таблице 1.

d0

R0

С0

1,8 мм

2,01 кОм

9,3 нФ

2,0 кГц

Таблица 1

Упражнение I

Определение емкости воздушного конденсатора

В данном упражнении сравнивают значение электроемкости воздушного конденсатора, полученное в экспериментах с помощью электрических схем (рис.1 и 2), с рассчитанным теоретически.

Порядок выполнения упражнения

1. В соответствии со схемой, приведённой на рис.1, подсоединить к измерительному конденсатору С эталонное сопротивление R0.

2. Поочередно соединяя штекер вольтметра с клеммами 1 и 4, измерить напряжения U (в В) на измерительном конденсаторе и U0 (в мВ) на эталонном сопротивлении R0. Данные занести в таблицу 2. Измерения повторить 3 раза.

3. Получить средние значения и и по ним с помощью формулы

(5)

и таблицы 1 найти величину С.

4. Используя схему, приведённую на рис.2, подсоединить к конденсатору С эталонный конденсатор С0.

5. Поочередно соединяя штекер вольтметра с клеммами 1 и 4, измерить напряжения U на измерительном конденсаторе и U0 на эталонном конденсаторе. Данные занести в таблицу 2. Измерения повторить 3 раза.

6. Получить средние значения и и по ним с помощью формулы

(6)

и таблицы 1 найти величину С.

7. Измерив с помощью линейки площадь S пластины измерительного конденсатора и используя данные из таблицы I, по формуле (2) рассчитать величину воздушного конденсатора.

8.  Сравнить значение со средним , полученным по измерениям на схемах I и II. Вычислить систематическую ошибку опыта:

Таблица 2

схема

U

U0

C

Наташа

Автор

Наташа — контент-маркетолог и блогер, но все это не мешает ей оставаться адекватным человеком. Верит во все цвета радуги и не верит в теорию всемирного заговора. Увлекается «нефрохиромантией» и тайно мечтает воссоздать дома Александрийскую библиотеку.

Другие статьи


Распродажа дипломных

Скидка 30% по промокоду Diplom2020

А ты боишься COVID-19?

Пройди опрос и получи промокод