Санкт-Петербургский государственный горный институт

(технический университет)

Кафедра общей и технической физики

Лабораторная работа №1

Исследование электрического поля плоского конденсатора

Рис. 1. Установка для измерения напряженности электрического поля как функции напряжения и расстояния между пластинами.

Санкт-Петербург

2008

Цель работы: Измерение напряженности электрического поля плоского конденсатора в зависимости от напряжения и расстояния между пластинами, определение электроемкости плоского конденсатора.

Общие сведения.

Известно, напряженность электрического поля и потенциал  связаны между собой соотношением

(1)

.

В однородном электрическом поле соотношение (1) может быть представлено

, (2)

где U – напряжение между точками поля, которые находятся на расстоянии x ; Ex – проекция на ось x.

Для электрического поля между пластинами плоского конденсатора, находящимися на расстоянии d, можно написать

, (3)

где U – напряжение, подводимое на пластины конденсатора.

Электроемкость плоского конденсатора можно определить на основании измерения E и U. Известно, что

, , (4)

где ₀ – электрическая постоянная, S – площадь пластин конденсатора, q – заряд конденсатора.

С другой стороны C – можно рассчитать по формуле

. (5)

В работе следует:

1. Определить E при разных напряжениях, подаваемых на пластины конденсатора.

2. Исследовать зависимость E от d.

3. Определить электроемкость конденсатора в зависимости от d.

4. Сопоставить С_эксп. и С_теор.

Схема установки

Установка (рис. 1) состоит из источника питания (0 – 600 В); измерителя напряжения; измерителя электрического поля; плоского конденсатора с раздвижными пластинами, установленными на профильной скамье; соединительных проводов. Измеритель напряженности электрического поля прикреплен к правой пластине конденсатора и соединен с мультиметром. К пластинам присоединен мультиметр, измеряющий напряжение на пластинах, подаваемое от источника питания.

Порядок выполнения.

1 часть.

1. Проверить электрическую схему установки.

2. Установить пластины конденсатора на расстояние 10 – 15 см между ними.

3. Включить источник питания и измерительные приборы.

4. Подать напряжение 12 В и отбалансировать измеритель напряженности поля нулевым напряжением.

5. Для балансировки необходимо: на самом чувствительном канале измерителя напряженности электрического поля (горит светодиод верхнего канала) поворотом ручки измерителя напряженности добиться показания нуля на мультиметре, измеряющем напряженность электрического поля. При этом, показания напряженности электрического поля следует умножать на 100. При больших напряженностях поля следует перейти на следующий канал 10 кВ/м (загорится соответствующий светодиод) и показания мультиметра в этом случае следует умножать на 1000, полученный результат будет соответствовать напряженности поля в конденсаторе в В/м.

6. Подать на пластины конденсатора напряжение 200 Вольт и измерить напряженность электрического поля при разных расстояниях между пластинами.

Результаты измерения занести в таблицу.

Таблица 1.

№	d	Eэксп	U	Eтеор	Сэксп	Стеор
	см		В	В/м	Ф	Ф
1	12		200
2	10
3	8
…	…

7. Отключить источник питания и установить пластины на меньшее расстояние и , снова сбалансировать измеритель напряженности электрического поля.

В Н И М А Н И Е !

Передвигать пластины конденсатора можно только при снятом напряжении с конденсатора. На конденсаторе высокое напряжение!!

8. Подать напряжение 200 В и измерить напряженность при новом расстоянии

9. Выполнить пункты 6 , 7 и 8 для других расстояний.

10. По формуле (4) найти С_эксп.

11. Зная параметры пластин рассчитать С_теор по формуле(5)

2 часть.

Измерение напряженности электрического поля в зависимости от напряжения.

1. Установить пластины на фиксированное расстояние.

2. Выполнить пункты 3-5 и снять зависимость E от U, занося данные в таблицу.

Таблица 2.

№	d	U	Eэксп	Eтеор
	см	В
1	10	50
2		75
3		100
…		…

Обработка результатов.

1. По данным таблицы 1 рассчитать E_теор по формуле (3) и сопоставить с экспериментальными данными.

2. По данным таблицы 1 определить С_эксп по формуле (4) и сопоставить с результатами С_теор, рассчитанной по формуле (5).

3. Построить график зависимости E от d при разных U.

4. Построить график зависимости С от d.-

5. Рассчитать потенциал как функцию координаты. по формуле: -

6. Построить эквипотенциальные поверхности при фиксированных U и d.

7. Рассчитать погрешности измеренных величин.

Содержание отчёта

Отчёт оформляется в соответствии с требованиями, предъявляемыми кафедрой ОТФ.

Контрольные вопросы

1. Что такое напряженность, потенциал электрического поля, электроёмкость?

2. Что такое однородное электрическое поле? Как изменяется потенциал в однородном электрическом поле?

3. От чего зависит напряженность электрического поля, электроёмкость конденсатора?

4. Как влияет диэлектрик на электрическое поле и электроёмкость?

5. Что такое эквипотенциальная поверхность, силовая линия поля? Как ориентированы эквипотенциальные поверхности?

Дополнительное задание

1...Рассчитать силу взаимного притяжения пластин (формулу для силы взаимодействия между пластинами вывести самостоятельно) и построить график зависимости силы притяжения от напряжения и от расстояния

2.Рассчитать энергию конденсатора в зависимости от напряжения и расстояния между пластинами. Построить соответствующие графики.