Метод измерения и описание аппаратуры. Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра «Физика-2»

ФИЗИКА

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

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

МОСКВА - 2009

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра «Физика-2»

ФИЗИКА

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

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний для студентов специальностей

ИУИТ, ИСУТЭ, ИЭФ, ИТТОП, вечернего факультета

МОСКВА -2009

УДК 537.8

Ф-50

Андреев А.И., Колотилова В.Г., Прунцев А.П., Стоюхин С.Г Физика: работы 19, 119, 27, 72, 172, 74, 75, 175: Методические указания к лабораторным работам / под ред. доц. А.П. Прунцева и доц. Л.М. Касименко. – Переизд., доп. – М.: МИИТ, 2009. – 98 с.

Методические указания содержат описания лабораторных работ по общему курсу физики, предназначенных для студентов специальностей ИУИТ, ИСУТЭ, ИЭФ, ИТТОП, вечернего факультета. Методические указания соответствуют программе и учебным планам по курсу общей физики.

Авторы:	доцент В.Г. Колотилова – работа 19
	доцент А.И. Андреев – работа 119
	доценты А.И. Андреев и С.Г. Стоюхин – работа 27
	доцент С.Г. Стоюхин – работы 72, 74, 172
	доцент А.П. Прунцев – работы 75, 175

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. Потенциал jпроводникасвязан с величиной накопленного им заряда Q соотношением:

Q = Cj.

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 = ,

где q–абсолютная величина заряда на одной из обкладок конденсатора; U–разность 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 = ,

где I(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

q = = T, (1)

где T – время одного разряда конденсатора.

Если за некоторое время t произошло N разрядов, то прошедшее через микроамперметр количество электричества определяется равенством

Q = qN = t.

Но q = CU, следовательно,

CUN = t,

или

C = = , (2)

где f -число разрядов в секунду.

Метод измерения и описание аппаратуры

Исследуемый конденсатор C(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 потенциалов U, 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 частотой f =50 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) конденсатор C 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 потенциалов U₁и 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 напряжение U₁, и записатьполученные значения силы тока в таблицу.

6. Руководствуясь требованиями п. 2, установить на конденсаторе разность потенциалов U₂ отличную от U₁, 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 конденсатора C₁включить в схему конденсатор C₂и 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. Вместо C₁ включить в схему батарею из последовательно соединенных конденсаторов C₁ иC₂ (то есть C¢); выполнить операции, описанные в п. 2, 3, 4, 5, 6, 7, при тех же значениях напряженийU₁и U₂ и занести измеренные величины силы тока в таблицу.

10. Вместо батареи из последовательно соединенных конденсаторов включить батарею из параллельно соединенных конденсаторов (C²).Выполнить операции, описанные п. 2, 3, 4, 5, 6, 7, при тех же значениях U₁, U₂и занести величины силы тока в таблицу.