fizick_praktika_II

13.Определите время релаксации 1 (без диэлектрика).

14.Вставьте диэлектрическую пластину в конденсатор

ипроведите измерения напряжения и времени. Данные занесите в табл. 3.2.

15.Определите время релаксации 2.

16.Рассчитайте диэлектрическую проницаемость диэлектрика по формуле (3.27).

17.Используя данные табл. 3.2, постройте график зависи-

Вариант 2

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОСТОЯННОЙ СРЕДЫ МЕТОДОМ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ КОНДЕСАТОРА

6.1. Описание метода измерения

Во втором случае используют генератор синусоидальных колебаний для подачи синусоидальных импульсов с амплитудой U0 в электрическую цепь. Напряжение на резисторе UR также изменяется по синусоидальному закону. Указанные колебания смещены по фазе. Для проведения измерений на экране осциллографа их можно совмещать перемещением электронного пучка (рис. 3.8).

51

Для установления взаимосвязи между амплитудами напряжений на резисторе UR, на конденсаторе UC и входного напряжения U0 рассмотрим их векторную диаграмму (рис. 3.9). Взаимная перпендикулярность векторов UR и UC, изображающих соответственно напряжение на резисторе и напряжение на

конденсаторе, обусловлена отставанием по фазе на 2 напря-

жения на конденсаторе от тока I. Напряжение на сопротивлении совпадает по фазе с током. Согласно рис. 3.9, амплитуда входного напряжения U0 может быть найдена по теореме Пифагора

где 1( C) – сопротивление конденсатора при перемен-

ном токе.

U UR

U0 UR

t

UC U0

52

Выразим I0 из (3.29) и запишем для амплитуды напряжение на резисторе

Измеряя амплитуды входного и выходного напряжений и определяя K по их отношению, можно из (3.33) найти емкость конденсатора. Для определения диэлектрической проницаемости сначала следует определить емкость конденсатора без диэлектрика C1, а затем определить емкость конденсатора С2 с диэлектриком. Из (3.12) и (3.13) следует, что

C1

6.2.Порядок выполнения работы

1.Подключите установку к контроллеру с помощью соединительного кабеля.

2.Подключите установку к электрической сети 220 В.

3.Нажмите кнопку «Сеть».

53

4.Включите компьютер и запустите Windows.

5.Выберите и откройте папку с лабораторной работой «Определение диэлектрической проницаемости диэлектрика».

6.Запустите файл Start. bat. На экране появится совмещенное окно двухканального осциллографа и импульсного генератора (см. рис. 3.7).

7.Для запуска работы включить питание синусоидального генератора и осциллографа, нажав мышью соответствующие кнопки «Вкл.». Питание импульсного генератора при этом должно быть выключено (кнопка находится в положении

«Выкл.»).

8.Регулятором «Частота» установите частоту импульсов генератора, равную 1 кГц.

9.Установите синхронизацию. Для этого подведите курсор к окошку на панели, выберите тип генератора (синусоидальный) и щелкните мышью.

10.Определите амплитудные значения напряжения U0

иUR, когда между пластинами конденсатора отсутствует диэлектрик. Для этого следует использовать две подвижные горизонтали. Нижнюю горизонталь с помощью мыши установить в нулевое положение на экране. Верхнюю горизонталь установить в крайнюю верхнюю точку импульса. Мышкой нажать кнопку на экране «Съем данных». В таблице результатов на экране при этом появятся измеренные значения U0 и UR .

11.Определите коэффициент передачи K.

12.По формуле (3.33) рассчитайте емкость конденсатора С1. Внести значения U0 и UR, K и С1 в табл. 3.3.

13.Вставьте диэлектрическую пластину между пластина-

ми конденсатора. Определите емкость конденсатора С2, выполнив п.п. 11–13. Внесите значения U0 и UR, K и С2 в табл. 3.3.

14.По формуле (3.34) рассчитайте диэлектрическую про-

ницаемость . Внесите результаты расчета в табл. 3.3.

15. Сопоставьте значения диэлектрической проницаемости диэлектрика, полученные в работах 1 и 2.

54

Таблица 3.3

Контрольные вопросы и задания

1.Дать определение электрического диполя и его электрического момента.

2.В чем заключается явление поляризации диэлектрика?

3.Записать формулу для емкости плоского конденсатора без диэлектрика и с диэлектриком.

4.Что называется временем релаксации при разрядке конденсатора?

5. Записать закон изменения напряжения от времени на сопротивлении R при разрядке конденсатора.

6. Каким образом из графика ln UU0 f (t) находится время релаксации для случая импульсных колебаний напряжения.

7.Зная время релаксации с диэлектриком ( 2) и без ди-

электрика ( 1), какую формулу следует использовать для определения диэлектрической проницаемости?

8.Изобразите графически синусоидальные колебания напряжения на генераторе и на сопротивлении R.

9.Что такое коэффициент передачи K?

10.Записать соотношение между циклической частотой

ичастотой .

11.Записать формулу для определения электроемкости конденсатора с диэлектриком, если известны циклическая частота колебаний, сопротивление R и коэффициент передачи K.

55

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.Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Электричество. –

М. : Наука, 1983. – 687 с.

2.Курс лекций по общей физике. Ч. 2. Электростатика, электромагнетизм, физика пространства и времени, волновая

иквантовая оптика / Н.А. Конева, С.Ф. Киселева, А.А. Клопотов [и др.]; под ред. Н.А. Коневой. – Томск : ТГАСУ, 2000. – 225 с.

56

Лабораторная работа № 4 ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОМА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение движения зарядов внутри проводника и проверка закона Ома.

2. ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Персональный компьютер с полным программным обеспечением для проведения лабораторной работы.

3.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1.Электрический ток, сила тока, плотность тока

Явления и процессы, связанные с движением электрических зарядов, составляют особую часть учения об электричестве – электродинамику. Упорядоченное движение электрических зарядов называется электрическим током. Различают два вида электрических токов – токи проводимости и конвекционные токи. Током проводимости называют упорядоченное движение в веществе или вакууме свободных заряженных частиц – электронов проводимости (в металлах), положительных и отрицательных ионов (в электролитах), электронов

иположительных ионов (в газах), электронов проводимости

идырок (в полупроводниках) под действием приложенного

электрического поля напряженностью E . Конвекционным электрическим током называют ток, обусловленный перемещением в пространстве заряженного макроскопического тела.

Для возникновения и поддержания электрического тока проводимости необходимы следующие условия:

1. Наличие свободных носителей тока (свободных электрических зарядов).

57

2. Наличие электрического поля, под действием которого происходило бы перемещение свободных электрических зарядов.

3.На свободные заряды, помимо сил со стороны электрического поля, должны действовать сторонние силы неэлектрической природы. Эти силы создаются различными источниками тока (гальваническими элементами, аккумуляторами, электрическими генераторами и др.).

4.Цепь электрического тока должна быть замкнутой.

За направление электрического тока условно принято направление движения положительных свободных зарядов

(рис. 4.1).

Рис. 4.1. Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике:

E – напряженность электрического поля; S – площадь поперечного сечения проводника; l – длина проводника

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда dq , переносимого через поперечное сечение проводника

за интервал времени dt , к этому интервалу времени:

58

Если величина тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Для постоянного тока

где q – электрический заряд, проходящий за время t через

поперечное сечение проводника. В Международной системе единиц (СИ) сила тока измеряется в амперах (А).

Для характеристики направления электрического тока проводимости в разных точках сечения проводника и распределения тока по этому сечению вводится плотность тока.

Плотностью электрического тока j называют векторную

физическую величину, совпадающую с направлением тока в рассматриваемой точке и численно равную силе тока dI, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока:

Единица плотности тока в СИ – ампер на квадратный метр (А/м2).

Если проводник однородный, то плотность постоянного электрического тока одинакова по всему поперечному сечению проводника. Поэтому для постоянного тока в однородном проводнике с площадью поперечного сечения S плотность тока равна:

2.2. Закон Ома

Немецкий физик Г. Ом в 1826 г. экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металличе-

59

скому проводнику, пропорциональна напряжению U на концах проводника:

где R – электрическое сопротивление участка цепи (R = const). В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом). Электрическим сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 вольт (В) возникает ток силой 1 А. Соотношение (4.5) выражает закон

Ома для однородного участка цепи в интегральной форме:

Сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Однородным называют участок электрической цепи, на котором не действуют сторонние силы.

называется электрической проводимостью проводника. Еди-

ница проводимости – сименс (См): 1 См – проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1 Ом.

Сопротивление металлического проводника на участке неразветвленной цепи зависит от материала проводника, его геометрической формы и размеров, а также от температуры. Для однородного цилиндрического проводника (см. рис. 4.1) длиной l и площадью поперечного сечения S сопротивление R равно:

где – удельное сопротивление проводника. Удельное сопротивление численно равно сопротивлению однородного цилиндра, изготовленного из данного материала, имеющего площадь

60