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 = C j.
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 заряда q можно 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 (C 1).
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 U 1и 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 U 1, и записатьполученные значения силы тока в таблицу.
6. Руководствуясь требованиями п. 2, установить на конденсаторе разность потенциалов U 2 отличную от U 1, 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 C 1включить в схему конденсатор C 2и 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 C 1 включить в схему батарею из последовательно соединенных конденсаторов C 1 и C 2 (то есть C ¢); выполнить операции, описанные в п. 2, 3, 4, 5, 6, 7, при тех же значениях напряжений U 1и U 2 и занести измеренные величины силы тока в таблицу.
10. Вместо батареи из последовательно соединенных конденсаторов включить батарею из параллельно соединенных конденсаторов (C ²).Выполнить операции, описанные п. 2, 3, 4, 5, 6, 7, при тех же значениях U 1, U 2и занести величины силы тока в таблицу.
