Лабораторная работа №2 изучение электроемкости конденсаторов

Цель работы: Изучение параллельного и последовательного соединений конденсаторов. Измерение емкости конденсаторов. Получение навыков работы с электроизмерительным прибором в баллистическом режиме.

Приборы и принадлежности: установка для измерения емкости конденсатора.

Методика и техника эксперимента

В лабораторной работе проводится измерение электроемкости конденсаторов. Как известно, электроемкость определяется в соответствии с формулой:

С = . (1.14)

Для нахождения величины ёмкости нужно измерить заряд и напряжение на обкладках конденсатора.

Используемая в работе измерительная установка состоит из двух блоков:

В блоке 1 находятся выпрямитель и конденсаторы с неизвестной емкостью Сх₁, Сх₂, Сх₃, Сх₄, Сх₅. На лицевой панели блока размещены вольтметрV, регулятор Р выходного напряжения выпрямителя, переключатели П₁ и П₂, клеммы U и C_х. На верхней грани блока находится группа ключей К.

В блоке 2 находится эталонный конденсатор с известной емкостью Сэ = 5 мкФ. На передней панели блока расположены микроамперметр, переключатели П₃, П₄, П₅ и клеммы U и Сх. Клеммы U блока 1 соединены проводниками с клеммами U блока 2. Таким же образом соединены клеммы Сх.

Принципиальная электрическая схема измерительной установки представлена ниже.

В качестве источника тока в установке используется выпрямитель В. Регулятор Р (потенциометр) позволяет изменять напряжение, подаваемое на конденсатор. Величина напряжения измеряется вольтметром. Сэ – эталонный конденсатор, С_Х – конденсатор неизвестной емкости или батарея конденсаторов.

Для работы с эталонным конденсатором переключатель П₃ ставится в положение Сэ, для работы с конденсатором неизвестной емкости – переводится в положение Сх. Переключатель П₄ также имеет два положения:

1) в положении «Заряд» происходит зарядка эталонного конденсатора Сэ или изучаемого конденсатора Сх;

2) в положении «Разряд» заряд с обкладок конденсатора в течение очень короткого промежутка времени проходит через микроамперметр, вызывая отклонение его стрелки.

В обычном, так называемом динамическом режиме, электроизмерительный прибор магнитоэлектрической системы (в данном случае микроамперметр) измеряет силу проходящего через него тока. Если же через этот прибор пропустить кратковременный импульс тока, то вследствие инертности, подвижная система прибора (рамка со стрелкой) за время протекания тока не успевает сдвинуться с места, но в результате полученного толчка в дальнейшем она поворачивается на некоторый угол. При этом стрелка прибора отклоняется (отбрасывается) на n делений шкалы.

Как показывают опыт и расчеты, величина заряда q, прошедшего через микроамперметр, и величина отброса стрелки n пропорциональны друг другу:

q = А_б·n. (1.15)

Режим, в котором работает измерительный прибор при протекании через него кратковременного тока, называется баллистическим, а величина А_б – баллистической постоянной прибора.

А_б = . (1.16)

Баллистическая постоянная в системе СИ измеряется в Кл/деление.

В работе баллистическую постоянную микроамперметра определяют, разряжая через него эталонный конденсатор С_Э (заряженный предварительно до напряжения Uэ) и измеряя величину максимального отброса стрелки прибора n_Э. При этом заряд q, находившийся на обкладках конденсатора Сэ, равный

q_Э = Сэ · Uэ, (1.17)

пройдет через микроамперметр. В соответствие с формулой (1.15)

q_Э = А_б · n_Э, (1.18)

из (1.17) и (1.18) получим выражение для определения баллистической постоянной:

. (1.19)

Емкости изучаемых конденсаторов определяют следующим образом. Переключатель П₄ переводят в положение С_Х, измеряют величину отброса стрелки прибора n_Х.

В соответствии с формулами (1.14) и (1.15)

С_х = ; q_х = А_б· n_х.

Получаем формулу:

. (1.20)