ПФ-ЭМ-Лр34. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ВОШЛЬТМЕТРА

Цель работы: Ознакомление с методом измерения емкости конденсаторов, определение емкости конденсаторных батарей при различных схемах соединения.

Приборы и оборудование: Батарея конденсаторов, электростатический вольтметр, источник питания.

Входная информация

Для выполнения лабораторной работы необходимо усвоить темы ПФ-ЭМ-13 и ПФ–ЭМ-14.ПФ-ЭМ-15

При изучении данной темы необходимо знать основные понятия

13.1. Элементарный заряд 13.2.Закона сохранения электрического заряда. 13.3. Закон Кулона,13.4.Напряженность электрического поля, 13.5. Принцип суперпозиции,13.6 Теорема Гаусса, 14.3. Электроемкость, 14.3. Конденсатор,14.4. Емкость,14.5 Пробивное напряжение,14.6 Параллельное соединение конденсаторов, 14.7. Последовательное соединение конденсаторов,15.8. Напряжение (Словарь), 15.9. Закон Ома для участка цепи

Студент должен знать, какие физические величины в данной лабораторной работе измеряются прямыми измерениям, а также какие физические величины рассчитываются при косвенных измерениях. Какими приборами, при этом, необходимо пользоваться.

Студент должен уметь работать с физическими приборами, произвести измерения, сделать вычисления по полученным данным работы. Если требует задание построить графики функциональных зависимостей. Определить абсолютную и относительную погрешность полученных измерений, сделать выводы

ВХЛОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Сообщенный проводнику заряд q распределяется по его поверхности так, чтобы напряженность поля внутри проводника была равна нулю. Увеличение заряда приводит к увеличению напряженности поля в каждой точке окружающего проводник пространства. Следовательно, возрастет потенциал проводника. Из опыта следует, что разные проводники, будучи одинаково заряженными, принимают различные потенциалы Таким образом, для уединенного проводника:

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

(1)

Коэффициент пропорциональности С между потенциалом и зарядом называется электроемкостью (!4.3) проводника. Из (1) следует, что:

(2)

Электроемкость численно равна заряду, сообщение которого проводнику повышает его потенциал на единицу. Емкость проводника зависит от его размеров и формы, но не зависит от материала, агрегатного состояния, формы и размеров полостей внутри проводника. Это связано с тем, что избыточные заряды распределяются на внешней поверхности проводника. Емкость не зависит также ни от заряда проводника, ни от его потенциала. Сказанное не противоречит формуле (14.17), так как она лишь показывает, что емкость уединенного проводника прямо пропорциональна его заряду и обратно пропорциональна потенциалу.

Единица электроемкости - фарад (Ф): 1 Φ —емкость такого уединенного проводника, потенциал которого изменяется на 1В при сообщении ему заряда в 1 Кл.

При поднесении к заряженному проводнику какого-либо тела потенциал (14.1) проводника уменьшается по абсолютной величине, вследствие возникновения индуцированных (на проводнике) или связанных (на диэлектрике) зарядов. Согласно формуле (1) для емкости это означает увеличение емкости проводника. Это явление положено в основу устройств, называемых конденсаторами (14.3)

Конденсатор состоит из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком. На емкость конденсатора не должны оказывать влияния окружающие тела, поэтому проводникам придают такую форму, чтобы поле, создаваемое накапливаемыми зарядами, было сосредоточено в узком зазоре между обкладками конденсатора. Этому условию удовлетворяют: а) две плоские пластины; б) два коаксиальных цилиндра; в) две концентрические сферы. В зависимости от формы обкладок конденсаторы делятся на плоские, цилиндрические и сферические.

В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространённые низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

Конденсаторы характеризуются пробивным напряжением (14.5) — разностью потенциалов между обкладками конденсатора, при которой происходит пробой — электрический разряд через слой диэлектрика в конденсаторе Пробивное напряжение зависит от формы обкладок, свойств диэлектрика и его толщины

Для увеличения емкости и варьирования ее возможных значений конденсаторы соединяют в батареи, при этом используется их параллельное и последовательное соединение.

У параллельно соединенных конденсаторов (14.6) разность потенциалов на обкладках конденсаторов одинакова, Заряд батареи равен сумме зарядов, а емкость т. е. при параллельном соединении конденсаторов она равна сумме емкостей отдельных конденсаторов

(3)

При последовательном соединении конденсаторов заряды всех обкладок равны по модулю, а разность потенциалов на зажимах батареи сумме разности потенциалов на каждом конденсаторе. Емкость батареи конденсаторов соединенных последовательно определяется согласно выражению:

(4)

Таким образом, при последовательном соединении конденсаторов результирующая емкость С всегда меньше наименьшей емкости, используемой в батарее, т. е. при последовательном соединении конденсаторов суммируются величины, обратные емкостям. Таким образом, при последовательном соединении конденсаторов результирующая емкость С всегда меньше наименьшей емкости, используемой в батарее

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Установка состоит из пульта управления, к которому подсоединены электростатический вольт метр и источник питания

Блок-схема пульта управления показана на рис.1.На пульте управления расположены эталонный конденсатор с известной емкостью 2 мкФ и три конденсатора С1, С2 и С3 неизвестной емкости. и пары их выходных клемм 1,2,3, измерительные клеммы 4, тумблер управления 5, кнопка разряда 6

Рис.1.

Для измерения емкости любого из конденсаторов или батареи конденсаторов необходимо подключить с помощью проводников соответствующие выходные клемма к измерительным клеммам 4. Тумблер 5 должен стоять в положении «Подготовка к измерениям». При помощи блока питания подаем напряжение на эталонный конденсатор напряжение не более 40В. Эталонный конденсатор при этом заряжается. Напряжение измеряем при помощи электростатического вольтметра. Далее переключает тумблер 5 в положение «Измерение», напряжение на эталонном конденсаторе распределяется. Электростатический вольтметр при этом покажет напряжение на батарее конденсаторов. Опыт повторить три раза. Можно менять напряжение на эталонном конденсаторе.

По соотношению этих напряжений можно определить емкость неизвестного конденсатора или батареи конденсаторов.

Если измерительный конденсатор предварительно разряжен, то общий заряд равен

(5)

Следовательно, емкость измеряемого конденсатора

(6)

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

1.Определить емкость каждого неизвестного конденсатора, затем конденсаторы соединить последовательно и параллельно и определить емкость при последовательном и параллельном соединении. Проверить соотношения (3) и (4).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.  Поставить тумблер 5 в положение «Подготовка».

2.  Клеммы соответствующего конденсатора или батареи конденсаторов подключить к измерительным клеммам (4)

3.  Включить источник питания и регулятором напряжения установить на электростатическом вольтметре напряжение порядка 20—40 В.; UЭт

4.  Поставить тумблер 5 положение «Измерение»

5.  Электростатическим вольтметром измерить напряжение на батарее конденсаторов Uизм.

6.  Нажать кнопку разряда 6, затем тумблер 5 в положение «Подготовка».

7.  Данные записать в таблицу

8.  Все соединения клемм конденсаторов в батареи производить в положении тумблера 5 «Подготовка».

9.  Измерения для каждого из конденсаторов и батареи при последовательном и параллельном соединениях произвести 3 раза.

10.  Данные измерений и вычислений согласно соотношению (6)записываем в таблицу.

Таблица

Подключаемые емкости

С1

С2

С3

Спосл

Спар

Uэт

Uизь

Cизь

Uэт

Uизь

Cизь

Uэт

Uизь

Cизь

Uэт

Uизь

Cизь

Uэт

Uизь

Cизь

С1=

С2=

С3=

Спосл=

Спар=

Критерии усвоения

Студент должен понимать, какие процессы исследуются в данной лабораторной работе, какие физические величины необходимо измерить.

Студент должен знать, как делать измерения и какими приборами необходимо пользоваться.

Студент должен уметь, работать с физическими приборами, произвести измерения, сделать вычисления по полученным данным работы. Если требует задание построить графики функциональных зависимостей. Определить абсолютную и относительную погрешность полученных измерений, сделать выводы

Отчет

ПФ-ЭМ-Лр3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ВОШЛЬТМЕТРА

Выполнение расчетов

Расчеты выполнить согласно соотношению (6) и данные занести в таблицу_

________________________________________________________________

________________________________________________________________

Обработка результатов:

Определение погрешности измерений:

Определение среднего значения Сср.

;

Определение абсолютной погрешности отдельного измерения:

ΔСi=│Сср - Сi│;

Определение среднего значения абсолютной погрешности

;

Результат представить в виде

Сист=Сср±ΔСср;

Подсчитать относительную погрешность измерения .

Выводы: _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Дайте определение емкости, единицы измерения емкости, емкость плоского конденсатора. Последовательное и параллельное соединение конденсаторов. Собственная емкость уединенного сферического конденсатора Изменится ли расчетная формула, для случая отсутствия предварительного разряда конденсаторов.

Ответы на контрольные вопросы

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________»________»________________2 г.