ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ
Цель работы: познакомиться с методом измерения емкости конденсатора.
Приборы и принадлежности: генератор низкой частоты, вольтметр (осциллограф), набор сопротивлений и емкостей, набор диэлектрических пластин и модуль МО-З.
Краткая теория
Плоский конденсатор состоит из двух (или более) металлических пластин, между которыми находится диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε. Емкость конденсатора есть отношение заряда q на обкладках конденсатора к той разности потенциалов U,которую этот заряд сообщает конденсатору.
(1)
Емкость плоского конденсатора (2)
(2)
где ε0 = 8,85·10-12 Ф/м, S - площадь поверхности обкладки конденсатора, d - расстояние между обкладками, ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками.
Описание установки
Разборный конденсатор смонтирован на модуле МО-3. Нижняя пластина-1 присоединена к клеммам "1" на модуле (рис.1). Верхняя пластина-2 - съемная, она позволяет заменять диэлектрик конденсатора. Для измерения предлагаются три съемных диэлектрических пластины и воздушный зазор.
Толщина пластин диэлектрика и площадь пластин конденсатора указана в табл. 1. Верхняя пластина располагается на упорах 3, обеспечивающих воздушный зазор между пластинами шириной 2 мм. Конденсатор размещен на основании 4, соединенном с общим проводом "4". Подключение к верхней пластине конденсатора производится через клемму 5 в центре пластины.
Рис. 1. Разборный конденсатор
Порядок выполнения работы
Задание 1. Измерение электрической емкости конденсатора.
1. Соберите электрическую цепь по схеме на рис. 2. В качестве вольтметра можно использовать электронный осциллограф с входным делителем напряжения. Емкость конденсатора C0= 10,8 нФ.
2. Включите генератор и осциллограф в сеть. Установите частоту генератора ν =3 кГц, напряжение U = (7 – 10) В.
3.Измерьте напряжение U и UC0. Результаты измерений занесите в табл. 1.
4.Проделайте измерения со всеми пластинами диэлектрика.
5.Рассчитайте емкость конденсатора при всех данных в работе диэлектриках по формуле (3)
Рис. 2. Электрическая схема
к заданию 1
(3)
6 . Используя формулу (2), рассчитайте диэлектрическую проницаемость каждого диэлектрика по формуле (4).
(4)
7. Результаты расчетов занесите в табл.1.
Таблица 1
| Диэлектрик | d , мм | S , м2 | U, В | UCo, В | С, пФ | ε |
| Стекло | 4,9 | 2,3 10-2 | ||||
| Оргстекло | 4,1 | 2,3 10-2 | ||||
| Текстолит | 4,1 | |||||
| Воздух | 2.0 |
1.Соберите электрическую цепь по схеме, изображенной на рис. 3. Проведите измерения аналогичные измерениям в упражнении 1 по пунктам 2-4.
2. Результаты измерений занесите в табл. 2.
3. Рассчитайте емкостьС и
диэлектрическую проницаемость конденсаторов по формулам (3) и (4). Рис.3. Электрическая схема
Заполните табл. 2. (R0 = 9,8кОм). к заданию 2
Таблица 2
| Диэлектрик | d , мм | S , m 2 | UR, В | UC, В | С, пФ | ε |
| Стекло | 4,9 | 23 10-2 | ||||
| Оргстекло | 4,1 | 2,3 ·10-2 | ||||
| Текстолит | 4,1 | |||||
| Воздух | 2.0 |
1. Свободные и связанные заряды. Полярные и неполярные диэлектрики. Поверхностная плотность связанных зарядов.
2. Электрическое поле в диэлектрике. Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость. Вектор электрической поляризации и вектор электрического смещения.
3. Теорема Гаусса для электрического поля в диэлектрике.
4. Электроемкость проводников. Конденсаторы. Расчет емкости плоского цилиндрического и др. конденсаторов. Соединения конденсаторов. Емкостное сопротивление.
5. Энергия заряженного проводника и конденсатора. Энергия электрического поля. Объемная плотность энергии.
6. В однородном поле находятся вплотную прижатые друг к другу пластины из слюды и текстолита так, что силовые линии перпендикулярны пластинам. Напряженность поля в текстолите EТ = 60 В/м. Найти напряженность поля в слюде и вне пластины.
7. Расстояние между обкладками плоского конденсатора увеличивают. Как изменится: а) электроемкость конденсатора, б) напряженность электрического поля, в) напряжение. Рассмотреть два случая: 1) конденсатор заряжен и отключен от источника напряжения; 2) конденсатор подключен к источнику напряжения.
8. Плоский конденсатор состоит из двух пластин, площадью S=200 см2 каждая, расположенных на расстоянии d=2 мм друг от друга, между которыми находится слой слюды. Какой наибольший заряд можно сообщить конденсатору, если допустимое напряжение U=3 кВ?
9. К воздушному конденсатору, напряжение на котором U1=210 В, присоединили параллельно такой же незаряженный конденсатор, но с диэлектриком из стекла. Какова диэлектрическая проницаемость стекла, если напряжение на зажимах батареи стало U=30 В.
10. Пространство между обкладками плоского конденсатора заполнено двумя слоями диэлектрика толщиной d1 и d2, которые параллельны обкладкам конденсатора. Диэлектрические проницаемости диэлектриков ε1 и ε2 соответственно. Площадь пластин S. Найти емкость конденсатора C.
11. Плоский конденсатор заполнен диэлектриком и на его пластины подана некоторая разность потенциалов. Его энергия при этом равна 2·10-5 Дж. После того, как конденсатор отключили от источника напряжения, диэлектрик вынули из конденсатора. Работа, которую надо было совершить против сил электрического поля, чтобы вынуть диэлектрик, равна 7·10-5 Дж. Найти диэлектрическую проницаемость диэлектрика.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4