Основные правила работы в лабораториях

ОБЩАЯ ФИЗИКА

Часть 2

Электричество и магнетизм

Лабораторный практикум

 

Под общей редакцией

Герцен Т.А.

 

 

Утверждено

Редакционно-издательским советом университета

 

Издательство

Пермского национального исследовательского

политехнического университета

 

УДК 531(076.5)

Авторы:

М.А. Соковиков, С.А. Курушин, Л.Н. Кротов, Т.А. Герцен,

Н.Ю. Бачева, В.Е. Винокуров, Ю.П. Герцен, Р.М. Ибраева,

В.А. Колясников, В.П. Константинов, Н.Ю. Любимова,

А.Н. Паршаков, В.К. Покровский, И.С. Поперечный, М.Ю. Стояк, Д.Н. Трушников, Т.Е. Шайдурова, А.Н. Шарифулин, В.А. Шарифулин, М.В. Яковлев

 

Рецензенты:

д-р физ.-мат. наук, проф. Г.Ф. Путин

(Пермский национальный исследовательский

государственный университет)

канд. техн. наук, доцент Н.А. Харламова

(Пермский национальный исследовательский

политехнический университет)

 

Общая физика. Ч. 2. Электричество и магнетизм: лаборат. практикум / М.А. Соковиков [и др.]; под общ. ред. Т.А. Герцен. – Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2011. - 37 с.

ISBN

 

Практикум включает в себя 5 лабораторных работ. В каждой работе представлены краткие теоретические сведения, порядок выполнения заданий, контрольные вопросы и задачи для самоконтроля и список литературы.

Пособие предназначено для студентов дневной, заочной и дистанционной форм обучения, изучающих физику в технических вузах, а также может использоваться на занятиях в системе непрерывной подготовки «Школа-вуз».

 

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА РАБОТЫ В ЛАБОРАТОРИЯХ

КАФЕДРЫ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

 

1. На каждое лабораторное занятие необходимо приносить с собой:

а) лабораторный журнал (тетрадь в клетку не менее 48 листов);

б) несколько листов миллиметровой бумаги формата А4;

в) клей для вклеивания графиков;

г) калькулятор для инженерных расчетов (можно один на несколько человек);

д) ручку, карандаш и ластик;

е) линейку длиной 25 – 30 см.

2. Студенты должны быть подготовленными к выполнению каждой лабораторной работы:

а) необходимо знать тему и название выполняемой работы, изучить теоретический материал по теме выполняемой работы и понимать физическую сущность изучаемого явления;

б) подготовить лабораторный журнал к выполнению лабораторной работы.

3. Оформление лабораторного журнала:

а) на новой (правой) странице журнала должны быть написаны номер и название лабораторной работы, перечень приборов и принадлежностей, цель работы и дата проведения работы;

б) далее следует изложить краткую теорию лабораторной работы, включая вывод основной рабочей формулы и формулы для оценки погрешностей результатов эксперимента.

4. Все записи в журнале выполняют аккуратно ручкой (не карандашом) на правой странице лабораторного журнала (левая предназначена для выполнения расчетов);

а) отчет о лабораторной работе должен сопровождаться схемой экспериментальной установки;

б) таблицы вычерчивают карандашом по линейке. Желательный размер клетки 1,5 х 2,5 см. Таблица выполняется в полном объеме для соответствующего количества измерений. В пособии к лабораторной работе изображается лишь заготовка таблицы (верхняя и нижняя ее часть). Каждую таблицу следует вычерчивать на новой странице, оставляя место над таблицей. Над таблицей следует указать названия приборов, класс точности и цену деления прибора.

Правила построения графиков

Результаты измерений и вычислений во многих случаях удобно представлять в графическом виде. Графики строятся на миллиметровой бумаге карандашом. Размер графика – не менее половины страницы лабораторного журнала. На лист наносят координатные оси. Независимая величина (аргумент) откладывается, как правило, по горизонтали. На концах осей указывают обозначения физических величин и их размерности. Затем на оси наносят масштабные деления с удобным для прочтения интервалом. Порядок масштаба (10^{± п} ) выносится на конец оси. Точка пересечения осей не обязательно должна соответствовать нулю по одной или обеим осям.

Начало отсчета по осям и масштабы следует выбирать так, чтобы:

а) линия графика заняла все поле графика (рис. 1);

б) наклон линии был близок к 45°.

После выбора начала отсчета и масштаба по осям на лист наносятся экспериментальные точки. Их обозначают маленькими кружками, крестиками, треугольниками и т. п., размеры которых могут соответствовать погрешности измерений в масштабе графика. После этого строится собственно график, т. е. проводится плавная кривая так, чтобы она проходила как можно ближе к нанесенным точкам. График сопровождается подписью и вклеивается в лабораторный журнал.

Если известно из теории, что экспериментальная зависимость должна быть линейная, то по экспериментальным точкам проводится прямая, параметры которой определяются по методу наименьших квадратов (приложение I в конце сборника).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Электронно-лучевая трубка

 

Основным элементом электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (рис. 1). Она представляет собой вакуумный баллон, внутри которого находятся электронная пушка, вертикально и горизонтально отклоняющие пластины (6, 7), люминесцирующий экран (8).

Электронная пушка состоит из нагреваемого катода (1, 2), модулятора (3), первого и второго анодов (4 и 5). Все эти элементы создают и формируют пучок электронов, который, попадая на экран (8), вызывает его свечение.

 

Рис. 1. Электронно-лучевая трубка.

 

На рис. 2 показано, что при отсутствии электрического поля между отклоняющими пластинами пучок электронов вызывает свечение в центре экрана (а). При подаче постоянного напряжения на вертикально-отклоняющие пластины (б) светящееся пятно смещается вверх или вниз, причем в электрическом поле пластин электроны летят по параболической траектории, а на выходе из него движутся по инерции прямолинейно.

Если на вертикально-отклоняющие пластины подать переменное напряжение, то светящаяся точка будет совершать колебательное движение в вертикальном направлении, и на экране будет видна сплошная линия (в).

а) б) в)

 

Рис. 2. а) – напряжение на пластины не подано

б) – подано постоянное напряжение

в) - подано переменное напряжение

 

На горизонтально отклоняющие пластины обычно подается пилообразное напряжение (Рис. 3) от генератора развертки, которое заставляет светящуюся точку на экране двигаться по горизонтали.

U

 

 

 

t

 

 

T_{развертки}

 

 

Рис. 3. Напряжение развертки

 

 

Рис. 4. Развертка синусоидального сигнала

 

Одновременное действие электрического поля обеих пар пластин на электронный луч позволяет наблюдать на экране форму исследуемого сигнала во времени (Рис. 4). Для наблюдения устойчивого изображения необходимым условием является кратность частот входного и развертывающего напряжения. В этом случае на экране наблюдается один или несколько периодов исследуемого напряжения.

Описание установки

На рис. 5-6 показана передняя панель осциллографа, на которой расположены следующие регуляторы и переключатели:

 

Рис. 5. Передняя панель осциллографа

 

Рис. 6. Схема передней панели осциллографа

1. "Сеть" кнопка включения.

2. "Фокус" - регулятор фокусировки луча.

3. "Яркость" - регулятор яркости.

4. Кнопка переключения осциллографа в режим мультиметра (в данной работе не используется).

5. Переключатель входа осциллографа "открытый - закрытый". Закрытый вход используется для исследования переменной состав через разделительный конденсатор.

6. Переключатель "время/дел" - выбор длительности развертки.

7. - Совмещенный с переключателем (5) регулятор положения луча по горизонтали.

8. "V/дел" - Переключатель делителя напряжения канала Y - регулятор чувствительности осциллографа.

9. - Совмещенный с переключателем (7) регулятор положения луча по вертикали.

10. "ms/ms" - Переключатель множителя частоты генератора развертки.

11. "ЗАПУСК" - Переключатель полярности запускающего импульса синхронизации.

12. "ВНУТР/ВНЕШ" - Переключатель вида синхронизации.

13. "ТВ/НОРМ" - Выключатель генератора развертки.

14. - Вход Y.

15. Общий вход.

16. -Вход Х.

17. Регулятор уровня сигнала синхронизации.

 

Порядок выполнения работы

Задание 1. Наблюдение формы сигнала звукового генератора, измерение его частоты

 

1. Изучите назначение и расположение органов управления осциллографа.

2. Подключите к входу Y выход звукового генератора (ЗГ). Включите электропитание ЗГ (выключатель расположен на задней стенке генератора). Установите величину сигнала 5В, частоту 100Гц. Отрегулируйте чувствительность осциллографа так, чтобы сигнал не выходил за пределы экрана по вертикали.

3. Подберите частоту генератора развертки и уровень синхронизации осциллографа. Добейтесь устойчивого изображения сигнала на экране.

4. Изменяя форму и частоту f_z сигнала ЗГ, наблюдайте изменения на экране.

5. Измеряя время одного или нескольких периодов сигнала ЗГ т, рассчитайте частоту f _о по формуле (1). Сравните полученный результат с показаниями ЗГ.

6. Повторите измерения для разных частот и форм сигнала, результаты измерений запишите в табл.1 (таблицу следует выполнять на отдельной странице).

Таблица 1

 

N	f, Гц	m	t мс/дел	l дел	t = l t   (мс)	f o = m/t
изм.	частота по шкале звукового генератора	число периодов осциллограммы	цена одного деления шкалы генератора развертки	длина измеряемого участка осциллограммы	время измеряемого участка колебаний	Гц по осцилл.
1 - 5

Задание 2. Измерение напряжения с помощью осциллографа.

Задание 3. Измерение частоты сигнала по фигурам Лиссажу

 

1. Ha вход У подайте напряжение 12 Всчастотой f = 50 Гц, (розетка расположена на вертикальной стенке модуля МО-З). На вход Х - от ЗГ. Отключите развертку осциллографа выключателем (13).

2. Отрегулируйте чувствительность осциллографа и напряжение на выходе генератора так, чтобы луч не выходил за пределы экрана.

3. Изменяя частоту ЗГ, добейтесь устойчивой картины на экране осциллографа (Рис.8).

4. Найдите 5-6 различных частот ЗГ, при которых наблюдается устойчивая картина. Занесите в табл.3 форму и число пересечений n_x и n_y фигур Лиссажу с осями X и Y.

5. Рассчитайте по формуле (3) частоту сигнала, приняв частоту f_y =50 Гц. Сравните полученный результат с показаниями шкалы звукового генератора (ЗГ). Результаты занесите в табл. 3.

 

(3)

 

Рис. 8. Сложение взаимно-перпендикулярных колебаний.

Фигуры Лиссажу

 

 

Таблица 3

 

N	форма фигуры Лиссажу	n х	n у	f x	fy
2…

 

 

Задания для отчета

 

1. Назначение и устройство осциллографа.

2. Измерения, которые можно проводить с помощью осциллографа.

3. Устройство и принцип действия электронно-лучевой трубки.

4. Как получить на экране осциллографа прямую вертикальную линию?

5. Как получить на экране осциллографа горизонтальную линию?

6. Как получить на экране развертку сигнала?

7. Наблюдение сложения взаимно-перпендикулярных колебаний с помощью осциллографа.

8. Измерение частоты неизвестного сигнала по фигурам Лиссажу.

9. Найдите соотношение частот колебаний на рис. 9.

Рис. 9 (к заданию 9)

10. Электрон с некоторой начальной скоростью v ₀ влетаетв плоский конденсатор параллельно пластинам на равном расстоянии от них. К пластинам конденсатора приложена разность потенциалов U = 300 В. Расстояние между пластинами d = 2 см, длина конденсатора l = 10 см. Какой должна быть предельная начальная скорость электрона, чтобы электрон не вылетел из конденсатора?

11. Электрон, пройдя ускоряющую разность потенциалов ∆φ, влетает в плоский воздушный конденсатор параллельно пластинам, длина которых l. На конденсатор подают напряжение, которое изменяется линейно со временем по закону U = α t, где α – положительная постоянная, t – время движения электрона в конденсаторе. Расстояние между пластинами конденсатора d. Определить, с какой скоростью электрон вылетит из конденсатора.

12. Узкий пучок электронов в вакууме пролетает сквозь плоский конденсатор параллельно его пластинам и попадает на флуоресцирующий экран, отстоящий от конденсатора на расстоянии L = 15 см. При подаче на конденсатор напряжения U =50 В светящееся пятно на экране смещается на s = 21 мм. Расстояние между пластинами конденсатора d = 18 мм; длина конденсатора l = 6 см. Определите начальную скорость электрона.

13. Электрон влетает в плоский горизонтальный конденсатор параллельно пластинам со скоростью 9·10⁶ м/с. Найти полное, нормальное и тангенциальное ускорение электрона через 10^-8 с после начала его движения в конденсаторе. Разность потенциалов между пластинами равна 100 В, расстояние между пластинами 1 см.

14. Электрон влетает в плоский горизонтальный конденсатор параллельно его пластинам со скоростью 1·10⁷ м/с. Напряженность поля в конденсаторе E = 100 В/см, длина конденсатора l = 5 см. Найти величину и направление скорости электрона при вылете его из конденсатора.

15. Электрон, находящийся в однородном электрическом поле, получает ускорение, равное 1·10⁴ см/с².

Найти: 1) напряженность электрического поля, 2) скорость, которую получит электрон за 10^-8 с своего движения, 3) работу сил поля за это время, 4) разность потенциалов, пройденную при этом электроном в поле.

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОЙ БУМАГИ

 

Цель работы: изучение метода моделирования электростатического поля с помощью электропроводной бумаги.

Приборы и принадлежности: планшет с электродами для крепления электропроводной бумаги, вольтметр, источник постоянного тока на модуле МО-З, масштабная линейка.

Краткая теори я

Электрические заряды создают вокруг себя поле, называемое электрическим. Напряженность электрического поля Е определяется как сила, действующая на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля, т. е.

 

(1)

 

Потенциал электрического поля определяется как потенциальная энергия W _п, которой обладал бы положительный заряд, помещенный в данную точку поля

 

(2)

 

Элементарная работа, совершаемая силами электрического поля равна

, (3)

 

где dl - перемещение заряда под действием силы F, E_l - проекция вектора E на направление перемещения l.

Эта работа равна убыли потенциальной энергии

 

(4)

 

Из выражения (2) приращение потенциальной энергии равно

 

. (5)

Подставив (3) и (5) в (4) получим

 

или (6)

 

. (7)

Поскольку l - любое произвольно выбранное направление,

то компоненты вектора Е в декартовых координатах будут:

 

, , . (8)

Вектор Е в декартовых координатах

,

или

. (9)

Выражение, стоящее в скобках в формуле (9), носит название градиента скалярной величины j и записывается сокращенно в виде

 

. (10)

 

Так как градиент любой скалярной величины есть вектор, направленный в сторону наиболее быстрого возрастания этой величины, то из соотношения (10) видно, что вектор Е направлен в сторону наиболее быстрого убывания потенциала.

Если это направление обозначить r, то

(11)

Для однородного электрического поля (Е = const) можно написать

 

, (12)

 

где ∆φ - разность потенциалов между двумя точками электри- ческого поля, находящимися на расстоянии ∆r друг от друга.

 

Порядок выполнения работы

Задание 1. Исследование поля плоского конденсатора.

 

На Рис. 1а изображена электрическая схема установки, а на рис. 1б - установка для исследования электростатических полей (МО-3).

1 – электропроводная бумага, 2 – зонд, 3 – обкладки плоского конденсатора, 4 – обкладки цилиндрического конденсатора.

 

 

Рис. 1а Рис.1б

1. Закрепите электропроводную бумагу под электродами плоского и цилиндрического конденсаторов на планшете, обеспечивая хороший контакт по всей поверхности соприкосновения электродов с бумагой.

2. Соберите электрическую цепь по схеме, изображенной на рис.1а. После проверки схемы лаборантом или преподавателем подключите ее к источнику постоянного напряжения –9 + 9 В (клеммы источника расположены на планшете МО-З).

3. Выберите точку на бумаге вблизи отрицательного электрода на расстоянии приблизительно 0,5 - 1 см от него и с помощью зонда и вольтметра измерьте ее потенциал j ₁, значение его занесите в табл. 1.

4. Перемещая зонд 2 по бумаге вдоль какого-либо из электродов 3, найдите точки с таким же потенциалом φ₁ и проколите бумагу в этих точках на расстоянии 1 – 2 см друг от друга (рис.2). Через эти точки проведите эквипотенциальную линию.

5. Найдите и проколите острием зонда точки, соответствующие второй эквипотенциальной линии φ₂, потенциал которой больше на 1,5 – 2 В. Рис. 2 (к п.4)

6. Повторите операции, аналогичные пунктам 3 – 5 еще для 5 – 7 эквипотенциальных линий. Обозначьте потенциалы всех эквипотенциальных линий на бумаге. Занесите значения потенциалов φ _i всех линий в табл. 1.

7. Обведите контуры электродов на электропроводной бумаге, укажите их знаки (+ и -) и снимите бумагу с планшета.

8. Проведите линии равного потенциала и постройте систему силовых линий. Схема эквипотенциальных и силовых между электродами плоского конденсатора показана на рис. 2.

9. Вдоль центральной силовой линии измерьте расстояния ∆ x_i от первой эквипотенциальной линии до каждой последующей (рис. 3). Данные занесите в табл. 1.

Рис. 3. Измерение ∆x_i вдоль центральной силовой линии.

10. На миллиметровой бумаге нанесите экспериментальные точки зависимости ∆φ и ∆ x. Постройте график этой зависимости методом наименьших квадратов, используя формулу (13).

. (13)

Эта формула выражает значение эквивалентной напряженности Е (В/м) однородного электрического поля.

Таблица 1

 

Номер линии	φ i,В	∆φ i, В	∆ xi, м	(∆ xi)^2	∆φ i ∆ xi
		-	-	-	-
2…
Ʃ	-	-	-

Задание 2. Исследование поля цилиндрического конденсатора

Соберите электрическую цепь по схеме на рис.4. Постройте линии равного потенциала и силовые линии для цилиндрического конденсатора аналогично тому, как это сделано для плоского конденсатора (пункты 2 - 8). Вдоль одной из силовых линий проведите измерения расстояний D r.

Занесите результаты измерений в табл. 2.

Постройте график зависимости ∆φ от ∆r (очевидно, что эта зависимость не будет линейной, так как в этом случае поле неоднородное).

 

 

 

Рис. 4. Электрическая схема для исследования поля

цилиндрического конденсатора.

 

Таблица 2

 

Номер линии	j i,В	Dj i,В	D хi,м
1 - 5

Задания для отчета

 

1. Электрическое поле и его характеристики. Графическое изображение электрического поля. Силовые линии и эквипотенциальные поверхности.

2. Связь между напряженностью и потенциалом электрического поля.

3. Напряженность поля точечного заряда. Потенциал поля точечного заряда.

4. Принцип суперпозиции для напряженности и потенциала электрического поля.

5. Теорема Гаусса и ее применение для расчета напряженности электрического поля бесконечной равномерно заряженной плоскости, двух и более плоскостей; бесконечной равномерно заряженной нити, цилиндра; равномерно заряженной сферы, объемно заряженного шара.

6. Схема экспериментальной установки и порядок построения линий равного потенциала.

7. Метод наименьших квадратов для построения линейных экспериментальных зависимостей.

8. Три концентрические сферы радиусами R, 2 R, 3 R имеют за- ряды + q, +2 q, -3q соответственно. Определить потенциал каждой сферы.

9. Внутри полой тонкостенной проводящей сферы радиусом R находится другая концентрическая сфера радиусом r (r < R). Большой сфере сообщили за ряд Q, малой – заряд q. Определить потенциалы сфер.

10. Металлический заряженный шар радиусом R ₁ помещен в центре проводящей сферической оболочки, внутренний и внешний радиусы которой соответственно равны R ₂ и R₃. Заряд шара Q. Напишите выражения и постройте график зависимости напряженности поля E и потенциала φ от расстояния r от центра шара.

 

Лабораторная работа № 3

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 U_C0. 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, м ^2	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 емкость С 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 E _Т = 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 U ₁=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 d ₁ и d ₂, 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

Краткая теория

В повседневной жизни мы постоянно пользуемся источниками электрической энергии и редко задумываемся об их оптимальном использовании. Мы присоединяем к источникам электрического тока бытовые электроприборы, различные электродвигатели и т. п. Все эти элементы называются общим словом - нагрузкой. Нагрузка обладает некоторым электрическим сопротивлением R и потребляет электрический ток силой I (рис. 1).

Рис.1. Электрическая цепь с внешней нагрузкой

 

Нагрузка является внешней частью электрической цепи, но есть еще и внутренняя часть цепи - это сам источник тока с его внутренним сопротивлением r. По источнику тока протекает тот же ток I и выделяется некоторая мощность, приводящая к его нагреванию.

Источник тока с электродвижущей силой ε создает в замкнутой цепи ток, сила которого определяется законом Ома:

(1)

При протекании тока по замкнутой цепи на сопротивлениях R и r выделяется тепловая энергия, мощность которой определяется законом Джоуля - Ленца. Мощность, выделяемая во внешнем сопротивлении Р _е, - носит название внешней и часто является полезной мощностью.

. (2)

Мощность, выделяемая во внутреннем сопротивлении P _i - внутренняя мощность. Она чаще всего расходуется бесполезно - тепло рассеивается в пространстве.

. (3)

Полная мощность источника тока Р есть сумма внутренней и внешней мощности.

(4)

Порядок выполнения работы

 

1. Соберите схему, показанную на рис. 2. (Резисторы R ₁ и R ₂ находятся на планшете М0-3, источник переменного напряжения на 12 В - на вертикальной стенке модуля).

2. Изменяя сопротивление R ₂, проведите необходимое количество измерений силы тока (10 измерений) и соответствующее каждому значению тока напряжение. Силу тока изменяйте так, чтобы от максимального до минимального значения ток изменялся через примерно равные промежутки.

Максимальный ток получите, соединив клеммы 1 и 2 на планшете проводником (рис. 2). При измерении ЭДС необходимо разомкнуть цепь резисторов R ₁ и R ₂, при этом ток в цепи становится практически равным нулю, т. к. входное сопротивление вольтметра очень велико.

3. Данные занесите в таблицу.

4. Для каждого измерения вычислите значения:

и запишите их в соответствующие столбцы таблицы.

 

Рис. 2. Электрическая схема с переменным сопротивлением R2

Таблица

 

№ изм.	I мА	U В	R Ом	P = I ·e мВт	Pe=I·U мВт	Рi=Р - Рe мВт	h %	r=P/I^2 Ом	ri - < r >	(ri-<r>) ^2
…
S	-	-	-	-	-	-	-

 

5. Рассчитайте среднее значение внутреннего сопротивления r и абсолютную погрешность его измерения методом Стьюдента

; , (5)

где r_i - каждое очередное значение r, п – количество измерений,

t( a, n) - коэффициент Стьюдента.

6.Результат запишите в стандартном виде:

 

r = (< r &