laba_11_1

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный горный университет

Кафедра общей и технической физики

Отчет по лабораторной работе №11

Физика

По дисциплине: ___________________________________________________

(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)

«Исследование процессов накопления и

релаксации заряда в диэлектрических материалах »

Тема: ____________________________________________________

____________________________________________________

Выполнил: студент _______________ / Половинкин Д.Т./

^{(подпись) (Ф.И.О.)}

Дата: ___________

Проверил: ___________ ______________ / Гробовский А.Ю. /

доцент

^{(должность) (подпись) (Ф.И.О.)}

Санкт-Петербург

2013

Цель работы:

1. Определение постоянной времени RC-цепи.

2. Определение входного сопротивления вольтметра путем измерения разрядных характеристик конденсатора.

3. Оценка величины заряда, не связанного с поляризацией диэлектрика в конденсаторе.

Краткое теоретическое содержание:

1. Явления, изучаемые в работе:

Явление накопления и релаксации заряда.

2. Основные определения:

Электрический ток — направленное движение электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).

Блок питания (БП) — устройство, предназначенное для формирования требуемого потребителю (нагрузке) напряжения (при заданном токе нагрузки), как при питании его от электрической сети, так и от других источников питания.

Мультиметр— измерительный прибор, объединяющий в себе несколько функций. В минимальном наборе это вольтметр, амперметр и омметр.

Вольтметр— измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях. Подключается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии.

Конденсатор— двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.

Электрическая ёмкость — характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд.

Электрический заряд — это связанное с телом свойство, позволяющее ему быть источником электрического поля и участвовать в электромагнитных взаимодействиях.

Диэлектрик (изолятор) — материал, плохо проводящий или совсем не проводящий электрический ток.

3. Законы и соотношения:

Закон Ома для участка цепи:

Сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к участку, и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению этого участка.

Пояснение к физическим величинам:

Сопротивление:

[R] = 1Ом - скалярная физическая величина, характеризующая свойства проводника и равная отношению напряжения на концах проводника к силе электрического тока, протекающему по нему.

Сила тока:

[I] =1А -скалярная величина, численно равная заряду q, протекающему в единицу времени t, через сечение проводника.

Напряжение:

[U]=1В - отношение работы электрического поля при переносе пробного электрического заряда из точки A в точку B к величине пробного заряда.

Схема установки:

Основные расчетные формулы:

1. Мгновенное значение напряжения на конденсаторе во время заряда, [В]

,

где U0 -э.д.с. источника напряжения; RС – цепи – быстрота заряда и релаксации (R- сопротивление цепи, С – электроемкость), t- время, прошедшее с момента начала заряда, т.е. с момента включения ключа.

2. Мгновенное значение напряжения на конденсаторе во время релаксации,[В]

,

где Uнач. – начальное значение напряжения на конденсаторе, [В]

3. Сопротивление цепи, [Ом]

,

где – интервал времени между измерениями напряжений и на емкости в процессе ее разрядки.

4. Ток разряда конденсатора во внешней цепи за счет зарядов, не связанных

поляризацией диэлектрика конденсатора, [А].

(Из Закона Ома), где R – значение сопротивления резистора, [Ом]

5. _{Теоретическое значение постоянной времени распространения электромагнитного возмущения от одной точки цепи к другой}

6. _{Среднее значение сопротивления вольтметра, [Ом]}

7. Величина заряда, оставшегося в диэлектрике после исчезновения

поляризационного заряда, [Кл]

,

_{где S – площадь под графиком I(t), а I1 и t1 –масштабы по осям тока и времени соответственно}

8. _{Полный заряд заряженного конденсатора, [Кл]}

Прямые погрешности:

Погрешности косвенных измерений:

Таблицы:

Таблица 1: Зависимость напряжения на конденсаторе от времени его заряда

U₀ =12,40 В С =470 мкФ R =100 Ом

	0	3,5	5,6	10,1	15,6	24,5	33,3	40	48,7	58,1	71,8
	0	0,3	1,2	2,1	2,9	4,3	5,4	6,2	7	7,8	8,7
	0	0,9	1,4	2,4	3,5	5,0	6,3	7,1	8,0	8,8	9,7

Таблица 2: Зависимость напряжения на конденсаторе от времени его разряда

U₀ =12,10 В С =470 мкФ R =100 Ом

	0	7,5	15	25,4	33,7	44,9	51	77	101,6
	12,1	10,8	9,5	7,7	6,6	5,3	4,8	3	1,9
	12,1	10,3	8,8	7,0	5,9	4,7	4,1	2,4	1,4

Таблица 3: Зависимость напряжения на конденсаторе от времени его разряда через искомое входное сопротивление вольтметра R_в

U_нач =12,10 В С =470 мкФ

№ изм.	1	2	3	4	5	6	7
	55,6	69,3	81,9	95,7	110	130,5	172,2
	11,98	11,94	11,9	11,87	11,84	11,78	11,68
Пара номеров	1 и 5	2 и 6	3 и 7	4 и 9	5 и 10	6 и 12	7 и 4
	9,85	9,65	10,30	10,67	10,77	11,16	10,09

8	9	10	11	12	13	14	15
217,5	333,6	414	578	664,5	690,2	717,5	738,6
11,58	11,32	11,15	10,82	10,64	10,59	10,53	10,49
8 и 15	9 и 3	10 и 1	11 и 2	12 и 5	13 и 7	14 и 6	15 и 9
11,22	10,72	10,62	10,99	11,04	11,25	11,13	11,32

R_{в. ср} =10,72МOм

Примеры расчётов:

Пример расчёта косвенных погрешностей:

Графики зависимости:

Вывод:

В ходе проделанной мною работы, я определил практическую и теоретическую постоянные времени RC-цепи. Значения которых, отличаются на . Построил графики зависимости U_c(t).

Среднее входное сопротивление вольтметра путем измерения разрядных характеристик конденсатора получилось равным R_{в. ср}=10,72 МOм.