Описание экспериментальной установки и выполнение измерений

2.1. Описание сменной платы

На сменной плате установлен разборный плоский конденсатор и измерительное сопротивление . Принципиальная схема, собранная на сменной плате, приведена на рис. 2.

Нижняя обкладка разборного конденсатора неподвижно закреплена на плате. Верхняя обкладка съемная и крепится с помощью прижимающей пластины и двух винтов. Исследуемый материал зажимается между верхней и нижней обкладками конденсатора.

2.2. Выполнение измерений

Для определения емкости конденсатора в точку А схемы (рис. 2) подают переменное напряжение от звукового генератора, а общую шину генератора подключают к точке С. К точке В подключают вход У осциллографа, а к точке F – общую шину осциллографа. При таком подключении определяют . Для измерения амплитуды напряжения генератора ( ) вход У осциллографа переключается к точке Е.

С учетом входных емкостей кабеля и осциллографа , выходного сопротивления и паразитных емкостей монтажа схема изменения имеет вид, представленный в рисунке 3.

В этой схеме @100 пФ, =1 МОм. Величина измерительного сопротивления @5,1 кОм. Поэтому влияние входного сопротивления можно пренебречь. При этом ошибка измерения не превысит 0,5 %. Сопротивление переменному току входной емкости на частотах не выше 10 кГц не превышает 200 кОм, что вносит ошибку измерения не более 2,5%. Поэтому до частот 10 кГц для расчетов коэффициентов передачи и измеряемой емкости можно пользоваться формулой (4).

Измерение сопротивления R производится омметром между точками В и С.

Учет паразитной емкости монтажа выполняется с помощью набора образцов с различной площадью диэлектрика в области перекрытия пластин и известной толщиной диэлектрической прослойки. Площади диэлектрических пластин различны благодаря вырезанным в них отверстиям различной конфигурации. Емкость полученного сложного конденсатора может быть рассчитана как сумма параллельно включенных конденсаторов с диэлектрической и вакуумной прослойками:

, (5)

где – общая площадь отверстий в данной пластине диэлектрика.

Преобразовав это выражение, получаем:

. (6)

Как видно из формулы (6), емкость конденсатора линейно уменьшается с ростом отверстий и при значении равном площади обкладки конденсатора становится равной:

, (7)

Площадь перекрытия пластин указана на плате. Расстояние между обкладками совпадает с толщиной пластины диэлектрика и измеряется с помощью микрометра.

Для нахождения строят график зависимости емкости от площади отверстий . График представляет собой прямую линию (см. рис. 4). Экстраполируя прямую в точку , получим значение , входящее в формулу (7). Следовательно для расчета получим формулу:

. (8)

Искомое значение емкости конденсатора с прослойкой из неизвестного материала получается вычитанием паразитной емкости из значения емкости, полученной по формуле (4):

. (9)

Зная емкость конденсатора с прослойкой, можно определить диэлектрическую проницаемость материала по формуле (2).

Задание

1. Определите паразитную емкость монтажа, используя комплект однородных диэлектрических пластин с отверстиями, по методике, приведенной в разделе 2.2. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

№ n/n	Sотв, м2	Uвх, В	Uвых, В	C, Ф

2. Определите диэлектрическую проницаемость для трех неизвестных диэлектриков по методике, рассмотренной в разделе 2.2. (Использовать различные пластины без отверстий, одной из которых может являться пластина из использованного комплекта.)

Таблица 2

№ n/n	Uвх, В	Uвых, В	C, Ф

4. Контрольные вопросы

1. Диэлектрик в электрическом поле.

2. Физический смысл диэлектрической проницаемости среды.

3. Электроемкость проводника.

4. Виды конденсаторов.

5. Вывод формулы емкости плоского конденсатора. Как емкость зависит от диэлектрической проницаемости среды?

6. Как зависит емкость от площади диэлектрической прослойки?

7. Объяснить методику определения неизвестной емкости, которая используется в данной работе.

8. Что такое паразитная емкость схемы? Как определяется ее величина?

9. Что такое выходное сопротивление? Почему его величиной пренебрегают при выполнении данной работы?

10. Какие вещества обладают наибольшей диэлектрической проницаемостью и почему?

Приложение 1