Новости

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЁМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА

Работа добавлена:






ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЁМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА на http://mirrorref.ru

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра «Физика-2»

ФИЗИКА

РАБОТЫ 19, 119, 27, 72, 172, 74, 75, 175

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

МОСКВА-2009

Работа 74

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЁМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА

Цель работы.Определение электроемкостей отдельных конденсаторов и двух батарей из последовательно и параллельно соединенных конденсаторов.

Приборы и принадлежности.Микроамперметр, вольтметр, универсальный источник питания, поляризованное реле (встроено в стенд), комплект проводов (получить у лаборанта).

Введение

Проводник, удаленный от окружающих предметов, способен принимать на себя электрический заряд. Потенциалпроводникасвязан с величиной накопленного им зарядаQ соотношением:

QC.

Коэффициент пропорциональности, численно равный величине заряда, полученного проводником при повышении потенциала на единицу, называют электроемкостью или емкостью проводника:

C=.

Если проводник не уединенный, вводят понятие взаимной емкости проводников. Широкое практическое применение имеет случай, когда два проводника, заряженные разноименно, имеют такую форму и взаимное расположение, что создаваемое ими электростатическое поле практически целиком сосредоточено в пространстве между ними. Система таких двух проводников называется  конденсатором, а сами проводники – его обкладками.

Электроёмкость конденсатора определяется с помощью соотношения:

C ,

гдеqабсолютная величина заряда на одной из обкладок конденсатора;Uразность потенциалов его обкладок.

Емкость конденсатора зависит от размеров и формы его обкладок, их взаимного расположения, а также от свойств среды, заполняющей пространство между обкладками конденсатора.

В данной работе разность потенциалов обкладок конденсатора измеряют вольтметром, а величину зарядаqможно измерить при периодической зарядке и разрядке конденсатора микроамперметром, у которого подвижная система обладает периодом колебаний, много большим времени разряда конденсатора.

Такой микроамперметр, вследствие значительной инерции подвижной системы не будет регистрировать мгновенные значения тока, а покажет некоторое, не меняющееся со временем среднее значение силы тока . Пользуясь этим значением можно найти заряд и вычислить емкость конденсатора. Действительно, так как

I(t) ,

то в общем случае

q ,

гдеI(t) – мгновенное значение тока разряда.

Для микроамперметра с периодом колебаний, много большим времени разрядки конденсатора, можно написать, что протекший через него при разрядке конденсатора заряд определяется соотношением

qT,                                 (1)

гдеT – время одного разряда конденсатора.

Если за некоторое времяt произошлоN разрядов, то прошедшее через микроамперметр количество электричества определяется равенством

QqNt.

НоqCU, следовательно,

CUNt,

или

C ,                                        (2)

гдеf-число разрядов в секунду.

Метод измерения и описание аппаратуры

Исследуемый конденсаторC(рис. 1) заряжается от источника э.д. с., а затем автоматически действующий переключатель отсоединяет одну из обкладок от источника и замыкает обкладки конденсатора на микроамперметр. При этом конденсатор разряжается.

Цикл«зарядка-разряд» повторяется с частотой работы переключателя 50 раз в секунду. Сопротивление микроамперметра, электроёмкость конденсатора, а также индуктивность контура выбраны столь малыми, что конденсатор успевает зарядиться и разрядиться менее чем за 1/50 с. Период собственных колебаний подвижной системы микроамперметра значительно больше этой величины.

На рис. 1 цифры 4 и 5 соответствуют специальным клеммам на измерительном стенде для подачи напряжения на конденсатор, цифры 3 и 6 – клеммам для подключения конденсаторов (батарей конденсаторов). Цифры 1 и 2 обозначают клеммы для подачи переменного напряжения 6,3 В на управляющую обмотку реле.

Устанавливая с помощью потенциометра ВУПа известную разность потенциаловU, измеряемую вольтметром, и измеряя силу тока  с помощью микроамперметра, можно определить неизвестную электроёмкость конденсатора по формуле (2).

В качестве переключателя в работе применено специальное устройство– поляризованноереле (его схема представлена на рис. 2).

На подковообразный железный сердечник M намотана намагничивающая катушка B, по которой пропускается переменный ток с частотойf50 Гц. Посредине между концами сердечника M помещен намагниченный стерженек – якорь. Если в катушке B тока нет, якорь располагается точно посредине между наконечниками PиZ.Когда в катушке B идет ток, то он создает магнитное поле. При этом плоская пружина, удерживающая якорь в среднем положении, изгибается, и якорь притягивается к одному из полюсов P или Z в зависимости от направления тока в катушке B, тогда клемма соединяется через якорь и контакты K и Lпоочередно с клеммами 7 и 8. Таким образом (см. рис. 1) конденсаторC заряжается и разряжается 50 раз в секунду.

Порядок выполнения работы

1. Согласно указаниям на стенде и рис.1 собрать схему с первым неизвестным конденсатором (C1).

ВНИМАНИЕ.В концесборки обязательно проверить, чтобы провода от конденсатора (батареи конденсаторов в целом) соединялись с клеммами 3 и 6 на стенде.

2. С помощью потенциометра ВУПа установить на конденсаторе разность потенциаловU1и измерить ее вольтметром. С целью уменьшения погрешности измерений значение напряжения надо выбирать таким, чтобы стрелка вольтметра отклонялась более чем на 2/3 его шкалы.

3. С помощью микроамперметра измерить среднее значение силы тока .

4. Уменьшить напряжение до нуля.

5. Повторить п. 2, 3, 4 десять раз, каждый раз заново устанавливая на вольтметре напряжениеU1, и записатьполученные значения силы тока в таблицу.

6. Руководствуясь требованиями п. 2, установить на конденсаторе разность потенциаловU2 отличную отU1, но значение которой тоже лежит в последней трети шкалы вольтметра.

7. Выполнить операции аналогичные п. 3, 4, 5. Записать 10 полученных результатов в таблицу.

8. Вместо конденсатораC1включить в схему конденсаторC2и выполнить операции, описанные в п. 2, 3, 4, 5, 6, 7 при тех же значениях напряжений и занести измеренные величины силы тока в таблицу.

9. ВместоC1 включить в схему батарею из последовательно соединенных конденсаторовC1 иC2 (то естьC); выполнить операции, описанные в п. 2, 3, 4, 5, 6, 7, при тех же значениях напряженийU1иU2 и занести измеренные величины силы тока в таблицу.

10. Вместо батареи из последовательно соединенных конденсаторов включить батарею из параллельно соединенных конденсаторов (C).Выполнить операции, описанные п. 2, 3, 4, 5, 6, 7, при тех же значенияхU1,U2и занести величины силы тока в таблицу.

Обработка результатов эксперимента

1. По данным, полученным в результате измерений, определить электроёмкость конденсаторовC1,C2,C, C.

C ;CC1C2.                              (3)

2. С помощью формул (3) рассчитать значенияC иC и занести их в таблицу.

3. Оценить абсолютную погрешность косвенных измерений электроёмкости и сделать окончательную запись результата в виде

CCСРC.

Таблица

Разность потенциалов, В

U1 ….,B

U2 …….,B

Конденсатор

С1

С2

C

C

С1

С2

C

C

Сила тока, А

№ п.п.

1

2

10

, А

S

ΔI, А (по Стьюденту)

ΔI, А (приборная)

ΔU, В (приборная)

Электроёмкость, Ф

Электроёмкость

по формуле (3), Ф

Окончательная запись величины электроёмкости, Ф

Задание для самостоятельной работы

1. Проработать содержание методического указания по физике [4].

2. Вычислить  по формуле , гдеN 10.

3. Вывести самостоятельно формулу для расчета ошибки косвенных измерений и сравнить ее с формулой (4):

.                                  (4)

4. Рассчитатьприборные значенияIПР иUПР согласно указаниям [4], учитывая класс точности приборов.

5. Пользуясь методом Стьюдента (см. методические указания [4]) по данным, полученным для большей электроёмкости, рассчитатьслучайное значениеIСЛ как при напряженииU1, так и при напряженииU2. Для расчёта использовать формулу:

IСЛS,   гдеS .

Для нахождения коэффициента Стьюдента значение доверительной вероятности (см. методические указания [4]) задает преподаватель, а само значение находится по таблице, размещённой на стенде в лаборатории (или в указаниях [4]).

6. Определить величину абсолютной ошибки измерений силы тока ΔI  для последующей подстановки в формулу (4).

7. По формуле (4) определить относительную погрешность измерений для большей из электроемкостей как при напряженииU1, так и приU2.При этом отношениеf/f принять равным 0,1.

8. Рассчитать абсолютную погрешность измеренийC1; окончательный результат записать в виде: CCСРC.

По указанию преподавателя п.п. 1 – 8 могут выполняться и для конденсатора с другой электроёмкостью.

9. С помощью формулы (3) рассчитать электроёмкость батарей конденсаторов и сравнить их со значениями, полученными по формуле (2). Используя данные п. 6, сделать выводы о величине расхождений значенийC иC, полученных различными способами.

Контрольные вопросы

1. Что называется электрическим конденсатором?

2. Дайте определение электроёмкости уединенного проводника и конденсатора.

3. Укажите единицу измерения электроёмкости в СИ.

4. От чего зависит электроёмкость плоского конденсатора?

5. В чем заключается метод измерения электроёмкости в данной лабораторной работе?

6. Нарисуйте схему установки и укажите назначение в ней каждого элемента.

7. Какую роль играет реле в данной лабораторной работе?

8. Какое соотношение между периодом колебаний подвижной системы микроамперметра и периодом разрядки конденсатора должно выполняться в данной лабораторной работе?

9. Что называется силой тока?

10. Почему ток через микроамперметр можно рассматривать как постоянный?

11. Какая связь между зарядом, прошедшим через микроамперметр за времяt, и силой тока?

12. Получите рабочую формулу для определения электроёмкости в данной работе.

13. Нарисуйте примерный график зависимости тока через амперметр от времени.

14. Запишите формулу для энергии электрического поля, созданного:

а) уединенным проводником

б) плоским конденсатором.

15. Запишите формулу для расчета электроёмкости батареи конденсаторов, соединенных:

а) последовательно;

б) параллельно.

16. Как изменится электроёмкость плоского конденсатора, если между его обкладками поместить тонкую пластину из проводника? Толщина пластины равна половине расстояния между обкладками.

17. Какой заряд проходит через микроамперметр в данной работе за одну минуту, если электроёмкость конденсатора 3 мкФ, а показания вольтметра 60 В?

18. Два последовательно соединенных конденсатораС1 2 мкФ иС2 4 мкФ подсоединены к источнику постоянного напряжения 120 В. Какова будет разность потенциалов на обкладках первого конденсатора?

19. Во сколько раз изменится электроёмкость плоского конденсатора, если между обкладками поместить пластину из диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ? Толщина пластины равна половине расстояния между обкладками конденсатора.

20. Укажите основные источники погрешности измерений в данной работе.

Список литературы

  1. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1979 - 2007. – Т. 2.
  2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. – М.: Высш. шк., 2000 - 2003.
  3. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высш. шк. 1974 - 2008.
  4. Селезнёв В.А., Тимофеев Ю.П. Методические указания к вводному занятию в лабораториях кафедры физики. – М.: МИИТ, 2006. 30 с.
  5. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физика». Работы 19, 27, 72, 74, 75. – М.: МИИТ. 2005. – 65 с.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЁМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА на http://mirrorref.ru


Похожие рефераты, которые будут Вам интерестны.

1. Определение электроемкости конденсатора с помощью моста Сотти

2. Определение емкости конденсатора

3. Определение емкости конденсатора методом мостика

4. Измерение ёмкости конденсатора

5. Изучение процесса зарядки и разрядки конденсатора

6. Изучение процессов заряда и разряда конденсатора

7. Задача о разряде конденсатора через сопротивление

8. Исследование апериодического и колебательного разряда конденсатора

9. ВсеросфЭффективность использования системы шариковой очистки конденсатора паровой турбинысийский теплотехнический институт ВТИ г.

10. Загрязнение внутренних и наружных стенок труб трубного пучка конденсатора. Способы их очистки. Эрозия, коррозия и борьба с ними