5.22 Контрольні запитання

1.22 Яке поле називається електростатичним?

2.22 Що називається силовою лінією електричного поля? Що називається еквіпотенціальною поверхнею?

3.22 Що називається напруженістю і потенціалом електростатичного поля?

4.22 Сформулюйте умову потенціальності електростатичного поля. Доведіть, що електростатичне поле є потенціальним.

5.22 Доведіть, що силові лінії нормальні до еквіпотенціальних поверхонь.

6.22 Встановіть зв'язок між напруженістю і потенціалом електростатичного поля.

7.22 Намалюйте систему еквіпотенціальних поверхонь і силових ліній поля, створеного зарядженою безкінечною площиною? Поясніть отриману картину.

8.22 Яким методом вивчається електростатичне поле в даній роботі? Які переваги цього методу над іншими?

9.22 Яке практичне значення має вивчення електростатичного поля, створеного електродами різної форми?

6.22 Література

1.22 Кучерук І.М., Горбачук І.Т.. Загальна фізика. Електрика та магнетизм.- К.: Вища школа. 1990.

2.22 Детлаф А.А., Яворский Б.М., Милковская Л.Б..Курс общей физики. Т.1.2.3. - М.: Высшая школа, 1987.

3.22 Трофимова Т.И. Курс физики.М.:1983.

4.22 Савельев И.Н. Курс физики. Т 1-3.М.:1982.

5.22 Клименко А.П. та інш. Методичні вказівки №№1-9 до лабораторних рабіт.

6.22 Потапов А.О., Мотіна А.І. методичні вказівки по використанню MCAD для опрацювання результатів лабораторних робіт фізпрактикума. К.:КНУТД. -2005.112с.

Лабораторна робота № 23. Вимірювання ємності конденсатора за допомогою балістичного гальвано­метру

Мета роботи: вивчення балістичного гальванометру; навчитись вимірювати ємність конденсатора за допомогою балістичного гальванометру.

1.23 Теоретичні відомості

Відокремлений провідник, тобто такий, що не взаємодіє з іншими зарядженими тілами, має потенціал , пропорційний розміщеному на ньому зарядові q і тому можна записати, що q=C. Коефіцієнт пропорційності С називають електроємністю відокремленого провідника. Електроємність С залежить від геометричної форми та розмірів провідника і характеризує здатність до накопичування зарядів. Розмірність електроємності [C]=В/м=Фарад, або скорочено [С]=Ф.

(1.23)

Електроємність чисельно дорівнює кількості електрики, потрібної для зміни потенціалу провідника на одиницю.

Наприклад, для кулі радіуса ємність визначається формулою

,

(2.23)

для відокремленого круглого провідника завдовжки і радіусом

(3.23)

У цих формулах - електрична стала, - діелектрична проникність середовища. В провідному середовищі під дією зовнішнього електричного поля «вільні» електричні заряди будуть переміщатись в напрямку дії поля, створюючи електричний струм; в непровідному - діелектричному середовищі, в якому електричні заряди зв'язані, зовнішнє електричне поле може привести до просторового перерозподілу цих зарядів - поляризації, що приведе до виникнення «внутрішнього» електричного поля, яке буде протидіяти зовнішньому. Параметр речовини - діелектрична проникність середовища, характеризує в скільки разів напруженість електричного поля в діелектрику відрізняється від напруженості зовнішнього електричного поля, адже поляризація діелектрика вимагає виконання певної роботи поля по перерозподілу зарядів.

Якщо заряджений провідник наближати до інших тіл, то на них виникають індуковані заряди протилежного знаку за рахунок поляризації; це явище має назву «електростатична індукція». Тобто, якщо біля «зарядженого» провідника розташувати «не заряджений», то на ньому будуть індуковані заряди протилежного знаку. Ці заряди приводять до підвищення електроємності провідника. В цьому випадку говорять про взаємну ємність провідників, а систему із двох провідників, що мають назву «обкладинки», розділених діелектриком, називають конденсатором.

ємністю конденсатора – є фізична величина, що визначається відношенням величини заряду , накопиченого в конденсаторі, до різниці потенціалів між його обкладинками:

.

(4.23)

У випадку діелектричного заповнення конденсатора

,

(5.23)

де - поверхнева густина заряду; - відстань між обкладинками конденсатора; - площа поверхні обкладинки.

Враховуючи це, отримуємо формулу для ємності плоского конденсатора:

.

(6.23)

Для експериментального визначення ємності конденсатора (див. формулу 4.23) необхідно знати величину електричного заряду, накопиченого на обкладинках конденсатора і різницю потенціалів (напругу) між обкладинками. Величину напруги U на конденсаторі задають, підключивши його до джерела вільних заряді – джерела живлення, тоді величина заряду q на обкладинках буде визначатись його ємністю. Якщо «заряджений» конденсатор від'єднати від джерела живлення і з'єднати провідником обкладинки, то електричне поле конденсатора примусить заряди (наприклад електрони) рухатись від обкладинки до обкладинки поки не відбудеться повна компенсація різнойменних зарядів. Тобто по провіднику пройде електричний струм, сила якого визначається величиною переміщеного заряду і часом його переміщення – часом «розряду» конденсатор. Вимірявши силу розрядного струму, визначимо величину переміщеного заряду .

Силу розрядного струму доцільно вимірювати за допомогою балістичного гальванометра, адже відомо, що кут повороту  рухомої системи балістичного гальванометра пропорційний кількості електрики, що проходить через нього в процесі короткочасного розряду за час τ

,

(7.23)

де - балістична стала гальванометра (у даному випадку вимірюється в кулонах на поділку). Для мінімізації похибки вимірювання використаємо метод порівняння з попередньою «калібровкою» гальванометра за допомогою конденсатора відомої ємності .

Для визначення ємності невідомого конденсатора еталонний конденсатор і конденсатор невідомої ємності заряджають до однієї і тієї ж напруги ( ) і розряджають через балістичний гальванометр. Величини зарядів на конденсаторах будуть пропорційні їх ємностям:

;

(8.23)

Звідки

;

(9.23)

З формул (9.23) отримуємо

.

остаточно

.

(10.23)

Із співвідношення (7.23) випливає, що

, ,

(11.23)

де і - відхилення стрілки (в поділках шкали) балістичного гальванометра при підключенні до нього відповідно невідомого та еталонного конденсаторів.

З урахуванням (11.23) запишемо

.

(12.23)