Практикум. Г. А. Зверев Л. К. Митрюхин

• Название: Г. А. Зверев Л. К. Митрюхин
• Анкор: Практикум
• Дата: 29.09.2020
• Размер: 1.62 Mb.
• Имя файла: Laboratorny_praktikum_1.doc
• Тип: Практикум; #140063
• страница: 2 из 11

Исследование плоских полей

Измерения

1. 
   Собрать схему согласно рис. 1.3. В качестве электродов используют две медные пластины и два медных цилиндра. Необходимо следить за тем, чтобы дно ванны было горизонтальным, а электроды – вертикальными. Снизу электроды должны соприкасаться с дном, а сверху – несколько выступать над водой. Установка ванны производится по уровню с помощью установочных винтов. Измерительный зонд располагается в ванне вертикально.
   
2. 
   Установить в ванне и закрепить зажимами систему из двух электродов, образующих плоский конденсатор.
   
3. 
   Вложить лист бумаги в крепление подставки пантографа.
   
4. 
   Обвести зондом контуры поверхностей электродов и получить на листе бумаги их горизонтальное сечение.
   
5. 
   Кнопку К₂ (рис. 1.3) установить в положение «Грубо».
   
6. 
   Поместить зонд вблизи одного из электродов и установить движок делителя напряжения у того конца реостата делителя, к которому присоединен этот электрод.
   
7. 
   В ключить пи-тание установки, замыкая ключ К₁.
   
8. 
   Перемещением движка делителя добиться нуле-вого положения стрелки гальва-нометра, только после этого пе-ревести тумблер К₂ в положение «Точно» (Галь-ванометр при этом приобрета-ет большую чув-ствительность за счет отключения добавочного сопротивления). Точнее найти положение движка делителя, соответствующее нулевому току гальванометра.
   
9. 
   Перемещая зонд таким образом, чтобы стрелка гальванометра по-прежнему показывала нуль, найти и зафиксировать на листе бумаги не менее 8 точек, принадлежащих исследуемой эквипотенциальной линии.
   
10. 
    Соединить плавной кривой найденные точки и получить эквипотенциальную линию.
    
11. 
    Построить не менее пяти эквипотенциальных линий, пользуясь указаниями п. 8 - 10.
    
12. 
    У становить в ванне новые системы электродов (рис. 1.4) и повторить операции, указанные в пунктах 2–11.
    
13. 
    Каждое поле построить на отдельном листе, изображая как эквипотенциальные линии, так и построенные ортогонально им силовые линии.
    
14. 
    Электрическая схема установки ФН9 приведена на рис. 1.3.
    

Контрольные вопросы и задания

1. 
   Сформулируйте и напишите в векторной форме закон Кулона.
   
2. 
   Докажите теорему Гаусса–Остроградского.
   
3. 
   Каков физический смысл основных характеристик электростатического поля: напряженности, потенциала электрического поля и разности потенциалов?
   
4. 
   Каковы условия потенциальности поля?
   
5. 
   Докажите перпендикулярность эквипотенциальных поверхностей и силовых линий электрического поля.
   
6. 
   Вычислите разность потенциалов и напряженность между электродами плоского, сферического и цилиндрического конденсаторов.
   
7. 
   Определите напряженность электрического поля внутри и вне равномерно заряженного по объему шара, цилиндра. Постройте графики зависимости Е=f(r).
   

Литература

1. Гл.11. §78-86. С.147-160. 2. Гл.13. § 13.3-13.4. С.185-191.

3. Гл.I. §5-8. С.15-19. 5. Ч.III. Раб.34. С.196. 6. Гл.IV. Раб. 20. С.106-111.
Лабораторная работа 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА

С ПОМОЩЬЮ МИЛЛИАМПЕРМЕТРА
Приборы и принадлежности: миллиамперметр, вольтметр, двойной переключатель, два конденсатора неизвестной емкости, источник напряжения, эталонный конденсатор емкости 1 мкФ.

Цель работы: экспериментальное определение емкости конденсаторов, а также определение емкости батарей конденсаторов при их последовательном и параллельном соединении по величине их токов разряда. Сравнить экспериментально полученные значения емкостей батарей конденсаторов с теоретическими.

Элементы техники безопасности: во избежание порчи миллиамперметра включение электрической схемы производить после проверки преподавателем или лаборантом.
Теоретическое введение

Необходимо ознакомиться с введением к разделу «Электростатика» и особенно с общим подходом к расчету емкости любого конденсатора.

Электрическая емкость уединенного проводника определяется отношением

,

т.е. емкость уединенного проводника численно равна тому количеству заряда, которое необходимо сообщить незаряженному проводнику для того, чтобы его потенциал повысить на единицу. Емкость конденсатора С определяется отношением заряда q к разности потенциалов ₁-₂ = U между обкладками конденсатора

,

т.е. емкость конденсатора равна тому количеству заряда, которое необходимо сообщить обкладкам конденсатора для того, чтобы разность потенциалов между его обкладками повысилась на единицу. При соединении двух конденсаторов и более в батарею ее емкость зависит от способа включения конденсаторов. При параллельном соединении двух конденсаторов емкостей С₁ и С₂ общая емкость

.

Если два конденсатора соединены последовательно, то их общая емкость

.

В работе требуется определить емкость двух конденсаторов и их емкость при параллельном и последовательном соединении.
Описание экспериментальной установки

и методика измерений

Для определения емкости конденсатора пользуются схемой (рис. 2.1), где К – ключ; R – потенциометр; V – вольтметр; П – двойной переключатель, mA – миллиамперметр, заменяющий гальванометр.

Двойной переключатель П позволяет замыкать источник тока с конденсатором или переключать конденсатор на гальванометр.

Если зарядить конденсатор до разности потенциалов (напряжения) U , а затем переключить его к миллиамперметру, то через последний протечет кратковременный импульс тока и количество электричества q, протекающее через гальванометр, равно

, (1)

где n– максимальное отклонение рамки mA от положения равновесия (определяется по шкале прибора);

а – постоянная для данного миллиамперметра величина, называемая баллистической постоянной.





Емкости неизвестных конденсаторов С_х в данной работе определяются двумя способами.

1-й способ

При использовании этого способа необходимо иметь конденсатор известной емкости С₀ (эталонный конденсатор). Для этого оба конденсатора, эталонный и неизвестный, последовательно один за другим заряжают до одного и того же напряжения и разряжают через миллиамперметр. Емкости первого и второго конденсаторов будут равны

; .

Так как напряжение U одинаково, то отношение емкостей можно

заменить отношением количества электричества, т.е.

,

так как q₀ = an₀ и q_x = an_x, то

. (2)

Пользуясь последней формулой можно определить емкости неизвестных конденсаторов.
Обработка результатов измерений 1-м способом

1. 
   Собрать цепь по схеме рис. 2.1. На рисунке:  – источник напряжения; R – потенциометр; V – вольтметр; С- конденсатор; mA – миллиамперметр, заменяющий баллистический гальванометр; П – двойной переключатель.
   
2. 
   Установить с помощью потенциометра напряжение U.
   
3. 
   Включить в цепь конденсатор известной емкости С₀, для чего переключатель П поставить в положение I , тем самым заряжая этот конденсатор. Затем переключатель перевести в положение II , при котором конденсатор разряжается через миллиамперметр. Записать максимальное отклонение рамки миллиамперметра по шкале n₀ . Это повторить два раза. Из двух полученных значений n₀ взять среднее.
   
4. 
   Указанные действия в п. 2, 3 провести с тремя напряжениями (табл. 2.1).
   
5. 
   Вместо эталонного конденсатора включить в цепь конденсаторы С_х1 и С_х2 неизвестной емкости. При этих же напряжениях U (50 В, 60 В, 70 В) произвести измерения (табл.2.2), как и с эталонным конденсатором, и найти их емкости по формуле (2).
   
6. 
   Соединив конденсаторы С_х1 и С_х2 сначала параллельно, затем последовательно, определить общую емкость батарей.
   
7. 
   Расчет погрешности для каждого неизвестного конденсатора произвести по формуле
   

.
Таблица 2.1

Эталонный конденсатор	U, В	n	nср	C0
	50			1 мкФ
	60
	70

Таблица 2.2

1. Первый конденсатор неизвестной емкости	U, В	n	nср	Сх
	50
	60
	70
2. Второй конденсатор неизвестной емкости	50
	60
	70
3. Последовательное соединение первого и второго конденсаторов	50
	60
	70
4. Параллельное соединение первого и второго конденсаторов	50
	60
	70

2-й способ (графический)

Из формулы (1) следует, что при одном и том же отклонении стрелки миллиамперметра n_k заряды, протекшие через его рамку, одинаковы.

Действительно, при

. (3)
Из (3) находим

, . (4)

Формула (4) позволяет определить емкости всех конденсаторов.
Обработка результатов измерений 2-м способом

1. 
   Начертить график зависимости средних показаний стрелки миллиамперметра при разряде эталонного конденсатора от напряжения зарядки n_ср = f(U), используя данные табл. 2.1.
   
2. 
   П
   .1 выполнить для всех конденсато-ров (первого, вто-рого, параллельно и последовательно соединенных кон-денсаторов) (рис. 2.2).
   
3. 
   По графикам зави-симости n_ср = f(U) для n_k=const нахо-дят точки пересе-чения n_k с f(U) для всех конденсато-ров А₀, А_х1, А_х2, А_х3, А_х4.
   
4. 
   Для этих точек пересечения определить значения напряжений U₀, U_x1, U_x2, U_x3, U_x4 на оси абсцисс.
   
5. 
   Подставив в формулу (4) данные С₀,U₀ и U_x1, U_x2, U_x3, U_x4 найти емкости всех конденсаторов.
   
6. 
   Расчеты погрешностей измерений емкостей конденсаторов произвести по формуле:
   

.

7. 
   Сравнить полученные двумя способами результаты и сделать вывод.