fizick_praktika_II

сле обращения к команде «Эксперимент» появится экран, на котором задаются начальные условия эксперимента (рис. 2.4): плотности воздуха и масла, вязкость воздуха. Ниже располагаются кнопки управления каплей масла и секундомером, показания которого находятся в следующем окне. В нижнем окне задают напряженность электрического поля между обкладками конденсатора. В правой части расположен конденсатор, между пластинами которого находится капля масла, а также метки в виде линий для отсчетов. Известно, что после прохождения меток 10 мкм или –10 мкм при движении вверх или вниз капля далее двигается равномерно. Ниже располагаются кнопка «Ход работы», чтобы начать работу, и кнопка «ОК», чтобы её завершить.

Рис. 2.4. Внешний вид окна лабораторной работы

3. Запишите необходимые физические величины:0 = 1,204 кг/м3 – плотность воздуха,= 0,0000182 Па с – вязкость воздуха,= 900 кг/м3 – плотность масла,

g = 9,81 м/с.

31

4. Измерьте 10 раз время падения капли в поле силы тяжести в отсутствие электрического поля. Предварительно в текстовом окне установите нулевое значение напряженности электрического поля. Время падения капли измеряют для промежутка между фиксированными метками –10 мкм и –60 мкм, используя кнопки управления каплей и секундомером. Результаты занесите в табл. 2.1.

5.Рассчитайте скорость равномерного движения капли при её падении, зная путь (50 мкм) и время движения капельки, для каждого измерения. Результаты внесите в табл. 2.1.

6.Установите в соответствующем окне напряженность электростатического поля 4000 В/м. Измерьте время равномерного движения капли в промежутке между фиксированными метками +10 мкм и +60 мкм. Опыт проводить не менее пятидесяти раз, т. к., заряд частицы может принимать несколько различных значений, а также при каждом фиксированном значении электрического заряда результаты измерения времени будут немного различаться. Кнопками «Пуск»

и«Стоп» секундомера управляет экспериментатор, поэтому всегда будет небольшая задержка в нажатии кнопок, что будет приводить к некоторой ошибке измерения времени. Результаты внесите в табл. 2.2.

7.Разбейте результаты проведенных измерений на группы, так чтобы внутри группы они различались не более чем на 0,2 с. Каждая группа соответствует определенному значению электрического заряда. В каждой группе рассчитайте скорость

32

равномерного движения капли вверх, зная путь (50 мкм) и время движения, для каждого измерения. Результаты внесите в табл. 2.2. Вычислите среднее значение скорости равномерного движения капли вверх в каждой группе. Может встретиться группа результатов, соответствующих нулевому заряду (капля не получила заряд). В этом случае капля будет двигаться вниз, т. к. электрическое поле на каплю не действует.

8. Вычислите электрический заряд капли для каждой выделенной группы результатов, используя формулу (2.9), пред-

варительно рассчитав коэффициент k. Результаты занесите в табл. 2.2. Вычисленные значения электрических зарядов будут отличаться друг от друга на величину, кратную минимальному электрическому заряду. Минимальный электрический заряд и будет являться элементарным электрическим зарядом, а все остальные электрические заряды равны целому числу элементарных электрических зарядов.

Контрольные вопросы и задания

1.Для чего воздух в конденсаторе подвергается действию рентгеновских лучей или ультрафиолетовых лучей?

2.Запишите выражение для силы, действующей на заряд, помещенный в электростатическое поле.

3.Сформулируйте закон Архимеда и запишите выражение для выталкивающей силы.

33

4.Какие силы действуют на капельку масла в отсутствие электрического поля?

5.Как зависит сила сопротивления, действующая на движущееся в вязкой среде тело, при изменении его скорости?

6.Какие силы действуют на капельку масла, когда электрическое поле включено?

7.Почему в первые моменты своего движения капелька масла двигается с ускорением, а затем ее движение становится равномерным?

8.Выведите формулу для расчета электрического заряда

капли.

9. Какое свойство электрического заряда проверяется

вданном опыте?

10.Изменяется ли величина заряда частицы при увеличении скорости ее движения?

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная литература

1. Трофимова, Т.И. Курс физики (учебное пособие для технических специальностей вузов) / Т.И. Трофимова. М. : Издательский центр «Академия», 2007, 2008. 560 с.

Дополнительная литература

1.Савельев, И.В. Курс общей физики. Т. 2 / И.В. Савельев. – М. : Наука, главная редакция физико-математической ли-

тературы, I982. – 432 с.

2.Сивухин, Я.В. Общий курс физики. Т. 4 / Я.В. Сивухин. – М. : Наука, главная редакция физико-математический ли-

тературы, 1979. – 520 с.

34

Лабораторная работа № 3

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ПОЛЕ ПЛОСКОГО КОНДЕНСАТОРА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определение диэлектрической проницаемости диэлектрика.

2. ОБОРУДОВАНИЕ

Установка с электрической цепью, состоящей из генератора импульсных и синусоидальных колебаний напряжения, конденсатора, активного сопротивления (резистора) и двухканального осциллографа, контроллер, соединительный кабель, компьютер.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Диэлектриками называют вещества, не проводящие электрический ток. В отличие от проводников они не содержат свободных зарядов, и внутри диэлектрика, помещенного в электро-

статическое поле, напряженность E не равна нулю. Для того, чтобы определить поле внутри диэлектрика, необходимо выяснить, как он устроен. Для этого потребуется новое понятие – диполь.

3.1. Электрический диполь

Электрическим диполем называется система из двух одинаковых по величине разноименных точечных электрических зарядов +q и –q (рис. 3.1), расстояние l между которыми значительно меньше расстояний до тех точек, в которых определяется напряженность электростатического поля от этой системы зарядов. Прямая линия, проходящая через оба заряда, называется осью диполя. Диполь характеризуется электрическим моментом:

35

где l – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному, длина которого равна расстоянию между заря-

дами; P – вектор поляризации, направление которого совпадает с вектором l .

q

+ F11

Рис. 3.1. Схематическое изображение диполя в электрическом поле: P – дипольный момент; q – заряд диполя; l – плечо диполя; F1 и F2 – силы, действующие на заряды; d – кратчайшее рас-

стояние между линиями действия пары сил; E – вектор напряженности электростатического поля

Если диполь поместить в однородное электростатическое поле, то на образующие диполь электрические заряды +q и – q

будет действовать пара сил F1 и F2 , равных по величине и противоположных по направлению (рис. 3.1):

F1 = F2 = F = qE.

Момент пары сил, действующих на диполь, является вращающим моментом и равен:

где d l sin – кратчайшее расстояние между линиями действия сил.

36

Тогда

Таким образом, момент пары сил разворачивает диполь по полю: ось диполя будет располагаться вдоль силовых линий электростатического поля, и электрический момент диполя совпадет c направлением силовых линий.

3.2. Типы диэлектриков

Диэлектрики делят на три основных типа: неполярные, полярные диэлектрики и ионные кристаллы.

Полярные диэлектрики состоят из молекул, в которых центр тяжести положительных зарядов не совпадает с центром тяжести отрицательных зарядов. Такая молекула представляет собой естественный диполь и обладает дипольным моментом. В отсутствие вешнего электрического поля все молекулыдиполи в результате тепловых движений ориентированы хаотически, и суммарный дипольный момент всех молекул, находящихся в единице объема, равен нулю. При помещении такого диэлектрика в электрическое поле все диполи-молекулы будут ориентироваться вдоль электрического поля. В результате дипольный момент единицы объема полярного диэлектрика не равен нулю, т. е. диэлектрик поляризуется.

Неполярные диэлектрики состоят из электрически нейтральных молекул, как правило, состоящих из двух атомов. Центр тяжести положительных зарядов совпадает с центром тяжести отрицательных зарядов в молекуле. При помещении неполярного диэлектрика во внешнее электрическое поле положительные и отрицательные заряды в молекулах слегка смещаются в противоположных направлениях под действием поля, и молекулы превращаются в электрические диполи. В результате каждая молекула приобретет дипольный момент, и диэлектрик поляризуется. Примером неполярных диэлектриков являются двухатомные газы: кислород, азот и другие.

37

Ионные кристаллы, например NaCl, KCl, имеют кубическую структуру, т. е. элементарная ячейка представляет собой

в NaCl и K- в KCl и положительные ионы Cl–). Между отрицательными и положительными ионами существует ионная ковалентная связь. Вне электрического поля ионные кристаллы электрически нейтральны. При помещении ионного кристалла во внешнее электрическое поле происходит пространственное смещение отрицательных ионов в одну сторону, а положительных ионов – в противоположную. Это приводит к тому, что диэлектрик будет поляризоваться. Поляризация сопровождается деформацией ионных кристаллов.

3.3.Явление поляризации диэлектрика

вэлектростатическом поле

Итак, если диэлектрик любого типа поместить в электростатическое поле, например в поле заряженного конденсатора, то он поляризуется, а это значит, что на концах диэлектрика появляются заряды. Эти заряды называют поляризационными или «связанными», поскольку их невозможно отделить от диэлектрика (они не способны к свободному перемещению).

Если пластину диэлектрика поместить в плоский конденсатор, на противоположных гранях пластины появляются «свя-

занные» заряды с плотностью .

Грани диэлектрика с находящимися на них зарядами рассматриваются как две разноименно заряженные плоскости, которые создают дополнительное электрическое поле с напряженно-

стью E , направленной противоположно напряженности поля E , созданного зарядами на пластинах конденсатора (рис. 3.2). Напряженность результирующего поля равна векторной сумме напряженностей поля, созданного заряженными пластинами конденсато-

ра E , иполя, созданного«связанными» зарядами E :

38

Приравнивая правые части уравнений (3.7) и (3.8), получим соотношение, связывающее и :

Из (3.10) видно, что плотность «связанных» зарядов зависит как от плотности зарядов на пластинах конденсаторов , так и от диэлектрической проницаемости диэлектрика ( >1).

3.4. Электрическая емкость конденсатора

Конденсаторы – устройства, способные при малых размерах и небольших относительно окружающих тел потенциалах накапливать значительные по величине заряды, иными словами, обладать большой емкостью. Под емкостью конденсатора понимается физическая величина, равная отношению заряда Q, накопленного в конденсаторе, к разности потен-

Из (3.11) следует, что емкость конденсатора численно равна заряду, который необходимо поместить на пластины конденсатора, чтобы возникла разность потенциалов между пластинами в 1 В.

Рассмотрим плоский конденсатор, электрическая емкость

40