15

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Одесская национальная морская академия

Кафедра физики и химии

Лабораторная работа № 5-3

Определение относительной диэлектрической проницаемости твердого диэлектрика с помощью резонанса напряжений и токов

УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ

Составили: В.И. Михайленко,

А.А.Горюк,

Ф.А.Птащенко

Утверждено на заседании кафедры,

протокол № 2 от 29 сентября 2011 г.

Одесса – 2011

Лабораторная работа № 5-3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ТВЕРДОГО ДИЭЛЕКТРИКА С ПОМОЩЬЮ

РЕЗОНАНСА НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ

1.Теоретическая часть

1.1. Основные величины и соотношения теории электрического тока

Для понимания данной лабораторной работы необходимо иметь элементарные знания из теории электрического тока, которые подаются ниже.

Электрический ток – это упорядоченное (направленное) движение заряженных микрочастиц. Направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов (ток в металлах обусловлен движением электронов, и его направление противоположно направлению движения электронов).

Сила тока I численно равняется заряду, который переносится через поперечное сечение проводника за одну секунду

(1*)

или , если ток постоянный. Единица измерения силы тока – ампер: .

Потенциал – энергетическая характеристика поля. Потенциал в данной точке численно равняется потенциальной энергии единичного заряда, помещенного в данную точку поля

.

(2*)

Потенциал измеряется в вольтах: .

Для того чтобы в замкнутой цепи шел электрический ток, необходим источник ЭДС. ЭДС (электродвижущая сила) численно равняется работе сторонних сил (не электростатического происхождения) по перемещению единичного заряда по всей цепи

.

(3*)

ЭДС измеряется в вольтах.

Электрическое напряжение U численно равняется полной работе, которую выполняют как сторонние, так и электростатические силы при перемещении единичного положительного заряда на некотором участке цепи

.

(4*)

Если на участке цепи источник ЭДС отсутствует, то .

Соотношение между силой тока и напряжением устанавливает закон Ома.

Закон Ома для однородного участка цепи: сила тока на некотором участке цепи пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению

R

(5*)

Электрическое сопротивление – величина, которая характеризует противодействие проводника или электрической цепи протеканию тока. Сопротивление измеряется в омах, .

Закон Ома для полной цепи

.

(6*)

Здесь – ЭДС, – внешнее сопротивление, – внутреннее сопротивление источника ЭДС (у любого источника ЭДС, например, батарейки есть электрическое сопротивление ).

Конденсатор – система двух проводников (двух обкладок), между которыми находится диэлектрик. Обкладки конденсатора заряжают одинаковыми по модулю и противоположными по знаку зарядами.

Электроемкость конденсатора численно равняется заряду, который необходимо сообщить конденсатору, чтобы изменить напряжение между его обкладками на единицу (на 1В)

,

(7*)

где – заряд каждой из обкладок, а – разность потенциалов между обкладками. Электроемкость измеряется в фарадах: .

1.2. Явление электромагнитной индукции и самоиндукции

(основные величины и закономерности)

Индукция магнитного поля – силовая характеристика магнитного поля. Характеризует влияние магнитного поля на подвижные заряды и токи. Единица измерения – тесла, .

Потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком) через площадку (или магнитным потоком) называется произведение , или

, (8*)

где – единичный вектор нормали к этой площадке, – вектор магнитной индукции, – угол между векторами и (рис. 1). (Магнитный поток можно трактовать, как количество линий магнитной индукции, которые пересекают поверхность ). Единица измерения магнитного потока – вебер: .

Явление электромагнитной индукции состоит в возникновении ЭДС в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, который пронизывает этот контур. (Например, когда в замкнутый контур (без батарейки) вносят магнит, в контуре возникает ЭДС и ток, который называют индукционным).

Закон Фарадея: ЭДС индукции, которая возникает в замкнутом проводящем контуре, равняется скорости изменения магнитного потока:

. (9*)

Эта ЭДС порождает индукционный ток. Знак „–” указывает на направление индукционного тока согласно правилу Ленца: при изменении магнитного потока, который пронизывает контур, в нём возникает индукционный ток такого направления, которое своим магнитным полем противодействует первичному изменению магнитного потока. На рис. 2* магнитный поток, который пронизывает контур, благодаря внесению магнита, увеличивается. Поэтому индукционный ток должен иметь такое направление, чтобы его магнитное поле было противоположным полю магнита. Направление этого тока можно определить по правилу буравчика.

Если ток проходит по замкнутому контуру, он создает магнитное поле (и, следовательно, магнитный поток) через этот же контур. Когда ток в контуре меняется – меняется и магнитный поток через этот контур, поэтому должна возникать ЭДС индукции (самоиндукции). То есть явление самоиндукции состоит в возникновении ЭДС самоиндукции в замкнутом контуре при изменении тока в этом контуре. Когда по контуру течет ток , то созданный им магнитный поток будет пропорциональным силе тока: , где коэффициент пропорциональности называют индуктивностью контура. То есть индуктивность контура численно равняется магнитному потоку, который пронизывает контур при силе тока

.

(10*)

(Индуктивность зависит от формы, размеров контура и среды, но не зависит от силы тока). Единица измерения индуктивности – генри: .

Поскольку магнитный поток равняется , то по закону Фарадея (9*) ЭДС самоиндукции . Если индуктивность постоянная, то ее можно вынести за знак производной. Тогда ЭДС самоиндукции равняется

.

(11*)

Знак „–” в этом выражении означает, что ток самоиндукции противодействует начальному изменению тока. (Например, когда ток в контуре увеличивается, ток самоиндукции противоположен начальному току . Когда ток в контуре уменьшается, то направлен в ту же сторону, что и ).