Федеральное агентство по образованию

Вологодский государственный технический университет

Электричество и магнетизм

Лабораторный практикум

Утверждено редакционно-издательским советом ВоГТУ

Вологда

2007

УДК 530.1

ББК 22.5

Ф 50

Рецензент

Ф 50 Электричество и магнетизм: лабораторный практикум / Под. ред. В.И.Богданова. – Вологда: ВоГТУ, 2007, с.

Представлены лабораторные работы по физике по второй части курса для студентов всех форм обучения и всех специальностей.

Составители:

Содержание

Введение

Общие указания к выполнению лабораторных работ

Лабораторная работа 2-01. Определение диэлектрической проницаемости твердого диэлектрика

Лабораторная работа 2-02. Изучение электрических свойств сегнетоэлектриков

Лабораторная работа 2-03. Определение емкости конденсаторов

Лабораторная работа 2-04. Определение удельного сопротивления проводника

Лабораторная работа 2-05. Изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников

Лабораторная работа 2-06. Изучение процессов заряда и разряда конденсатора

Лабораторная работа 2-07. Изучение релаксационных колебаний

Лабораторная работа 2-08. Изучение зависимости мощности и КПД источника тока от величины нагрузки

Лабораторная работа 2-09. Изучение явления термоэлектронной эмиссии и определение работы выхода электрона из металла

Лабораторная работа 2-10. Изучение работы осциллографа

Лабораторная работа 2-11. Изучение магнитного поля постоянного магнита

Лабораторная работа 2-12. Проверка закона Био-Саваpа-Лапласа и определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли

Лабораторная работа 2-13. Изучение магнитного поля короткой катушки

Лабораторная работа 2-14. Изучение магнитного поля соленоида с помощью датчика Холла

Лабораторная работа 2-15. Изучение эффекта Холла в полупроводнике

Лабораторная работа 2-16. Изучение гистерезиса ферромагнитных материалов

Лабораторная работа 2-17. Определение удельного заряда электрона методом магнетрона

Лабораторная работа 2-18. Исследование затухающих колебаний в колебательном контуре

Лабораторная работа 2-19. Изучение явления резонанса в колебательном контуре

Лабораторная работа 2-20. Изучение явления взаимной индукции

Лабораторная работа 2-21. Изучение электрических колебаний в связанных контурах

Лабораторная работа 2-01

Определение диэлектрической проницаемости твердого диэлектрика

Цель ра­бо­ты: изу­че­ние од­но­го из ме­то­дов оп­ре­де­ле­ния от­но­си­тель­ной ди­элек­три­че­ской про­ни­цае­мо­сти и из­ме­ре­ние ди­элек­три­ческой про­ни­цае­мо­сти твер­дых ди­элек­три­ков.

Теоретическое вве­де­ние

Диэлектриками называют вещества, которые в обычных условиях прак­ти­че­ски не проводят электрический ток (удельное сопротивление ди­элек­три­ков  = 10⁶ 10¹⁵ Ом м. При вне­се­нии ди­элек­три­ков во внешнее элек­три­че­ское поле происходит их поляризация, вследствие чего в любом мак­ро­ско­пи­че­ском ма­лом его объеме V, возникает отличный от нуля суммарный дипольный электрический момент молекул. Количественной мерой по­ля­ри­за­ции ди­элек­три­ка яв­ля­ет­ся век­тор по­ля­ри­за­ции (по­ля­ри­зо­ван­ность):

, (1.1)

где - электрический дипольный момент i-ой молекулы, N - общее число молекул в объеме V.

Опыт показывает, что в слабых полях, с которыми обычно имеют дело на практике, величина вектора поляризации пропорциональна на­пря­жен­но­сти электрического поля:

, (1.2)

где κ - диэлектрическая восприимчивость диэлектрика (безразмерная величина),

₀ = 8.85^.10^-12 Ф/м - электрическая постоянная.

В результате поляризации диэлектрика, помещенного в однородное электрическое поле, в тонких слоях, ограничивающих его поверхности, возникают не скомпенсированные поверхностные поляризационные заряды, а в неоднородном электрическом поле могут возникать еще и объемные поляризационные заряды. Согласно принципу суперпозиции, на­пря­жен­ность электрического поля в диэлектрике будет определяться геометрической суммой напряженности внешнего электрического поля и напряженности поля , обусловленного не скомпенсированными поляризационными зарядами:

. (3) Для изотропного диэлектрика, помещенного в однородное внешнее электрическое поле, эти векторы направлены в противоположные стороны. Поэтому

(4) т.е. напряженность электрического поля в диэлектрике меньше напряженности этого поля в вакууме.

Величину, численно равную отношению напряженности элек­три­че­ско­го по­ля в ва­куу­ме Е₀ к на­пря­жен­но­сти то­го же по­ля в ди­элек­три­че­ской сре­де Е, называют диэлектрической проницаемостью среды и обозначают :

. (5) Согласно (4)   1 ( = 1 для вакуума).

Экспериментальная часть

Приборы и обо­ру­до­ва­ние: ге­не­ра­тор пе­ре­мен­но­го на­пря­же­ния, элек­трон­ный ос­цил­ло­граф, час­то­то­мер, мик­ро­метр и штан­ген­цир­куль, две ме­тал­ли­че­ские пла­сти­ны, на­бор об­раз­цов ди­электри­ков, ре­зи­стор с из­вест­ным со­про­тив­ле­ни­ем.

Схема и опи­са­ние ус­та­нов­ки

Ди­элек­три­че­скую про­ни­цае­мость твер­дых ди­элек­три­ков мож­но оп­ре­де­лить, срав­ни­вая со­про­тив­ле­ние плос­ко­го кон­ден­са­то­ра пе­ремен­но­му то­ку с эта­лон­ным со­про­тив­ле­ни­ем. Принципиальная схема установки представлена на рис.1.

ЗГ -111 - ге­не­ра­тор зву­ко­вых ко­ле­ба­ний, 4Э­013 - элек­трон­ный ос­цил­ло­граф; 43-33 - час­то­то­мер элек­трон­но-с­чет­ный; С - пло­ский кон­ден­са­тор; R - эта­лон­ное со­про­тив­ле­ние, рав­ное 50 кОм; К - ком­му­та­тор; С₀ - кон­ден­са­тор с элек­тро­ем­ко­стью, эк­ви­ва­лент­ной вход­ной ем­ко­сти ос­цил­ло­гра­фа.

Пе­ре­мен­ный ток от ге­не­ра­то­ра зву­ко­вых ко­ле­ба­ний по­сту­па­ет в цепь по­сле­до­ва­тель­но со­еди­нен­ных эта­лон­но­го со­про­тив­ле­ния R и плос­ко­го кон­ден­са­то­ра С, ме­ж­ду пла­сти­на­ми ко­то­ро­го по­ме­ща­ет­ся об­ра­зец из ди­элек­три­ка. Ме­няя час­то­ту пе­ре­мен­но­го то­ка, до­би­ва­ют­ся ра­вен­ст­ва па­де­ний на­пря­же­ния на эталонном со­про­тив­ле­нии R (правая линия на экране осциллографа) и на параллельно соединенных кон­ден­са­то­рах (левая линия). При равенстве сигналов, поступающих на экран осциллографа, имеем: R=R_c.

. (6)

Учи­ты­вая, что и для от­но­си­тель­ной ди­элек­три­че­ской про­ни­цаемос­ти из (6) по­лу­чим:

. (7)