- •Оглавление
- •Введение
- •Условные обозначения в электрических схемах
- •Инструкция № 40
- •Общие положения
- •Правила поведения и обязанности студентов при выполнении лабораторных работ в учебных лабораториях кафедры
- •Подготовка к лабораторной работе
- •Порядок допуска к выполнению лабораторной работы
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Форма представления результата
- •Форма представления результата
- •Построение графиков
- •Пример построения графика
- •График зависимости длины стержня от растягивающей нагрузки
- •1. Электростатическое поле
- •1.1. Напряженность электрического поля
- •1.2. Потенциал
- •1.3. Связь между напряженностью и потенциалом
- •1.4. Линии напряженности и поверхности равного потенциала
- •1.5. Проводники в электростатическом поле
- •1.6. Электроемкость
- •1.7. Диэлектрики в электростатическом поле
- •Лабораторная работа №1 изучение электростатического поля
- •Методика и техника эксперимента
- •Порядок выполнения работы
- •1. Дно ванны заполните водой.
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №2 изучение электроемкости конденсаторов
- •Методика и техника эксперимента
- •Задание 1. Определение баллистической постоянной
- •Задание 2. Определение емкостей исследуемых конденсаторов
- •Задание 4. Измерение емкости последовательно соединенных конденсаторов
- •Контрольные вопросы
- •II. Постоянный электрический ток
- •2.1. Электрический ток, его характеристики и условия существования
- •2.2. Закон Ома в дифференциальной форме с точки зрения классической теории проводимости металлов (ктпм)
- •2.3. Обобщенный закон Ома
- •2.4. Закон Джоуля-Ленца
- •2.5. Разветвлённые цепи. Правила Кирхгофа
- •Лабораторная работа №3 исследование цепи постоянного тока
- •Методика и техника эксперимента
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №4 экспериментальное изучение правил кирхгофа
- •Методика и техника эксперимента
- •Методика и техника эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Порядок выполнения работы
- •Вариант 1
- •I. Определение сопротивления r1
- •II. Определение сопротивления r2.
- •IV. Определение общего сопротивления при параллельном соединении сопротивлений r1 и r2
- •Вариант 2
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №7 определение удельного сопротивления нихромовой проволоки
- •Методика эксперимента
- •Порядок выполнения работы
- •Измерения и вычисления для схемы 1
- •Измерения и вычисления для схемы 2
- •Справочные данные и параметры установки
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №8 изучение температурной зависимости сопротивления проводников
- •Методика эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •III. Электрический ток в вакууме
- •Лабораторная работа №9. Определение работы выхода электрона из металла
- •Методика и техника эксперимента
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №10. Изучение работы трехэлектродной лампы
- •Методика и техника эксперимента
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •IV. Постоянное магнитное поле
- •4.1. Магнитное поле и его характеристики. Закон Ампера.
- •(Нерелятивистский случай)
- •4 .3. Закон Био-Савара-Лапласа
- •4.4. Индукция магнитного поля соленоида
- •4.5. Магнитный поток
- •4.6. Действие магнитного поля на заряды
- •4.7. Электромагнитная индукция
- •V. Магнитное поле в веществе
- •5.1. Магнитные моменты электронов и атомов
- •5.3. Намагниченность
- •5.4. Магнитное поле в веществе
- •5.5. Ферромагнетики
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 12. Определение удельного заряда электрона методом магнетрона
- •Методика и техника эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 13. Определение удельного заряда электрона
- •Методика эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 14. Изучение явления взаимной индукции
- •Методика и техника эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 15. Определение индуктивности катушки с помощью моста максвелла
- •Методика и техника эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 16. Изучение работы трансформатора переменного тока
- •Методика эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 17. Изучение гистерезиса ферромагнитных материалов
- •Методика и техника эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •VI. Электромагнитные колебания
- •6.1. Колебательный контур
- •6.2. Затухающие колебания
- •6.3. Вынужденные колебания
- •6.4. Резонанс
- •Лабораторная работа № 18. Исследование затухающих колебаний в колебательном контуре
- •Методика и техника эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 19. Изучение вынужденных колебаний в колебательном контуре
- •Методика и техника эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 20. Измерение мощности переменного тока и сдвиг фаз между током и напряжением
- •Методика эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 21. Выпрямление переменного тока с помощью мостовой схемы
- •Методика эксперимента
- •Контрольные вопросы
- •Приложение Основные физические постоянные (округленные значения)
- •Работа выхода электронов
- •Греческий алфавит
- •Множители и приставки
- •Электричество и магнетизм
- •664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83
1.7. Диэлектрики в электростатическом поле
Диэлектрики – вещества, которые практически не проводят электрический ток (изоляторы). В отличие от проводников в диэлектриках нет свободных носителей тока.
Молекулы диэлектрика электрически нейтральны: суммарный заряд электронов и атомных ядер, входящих в состав молекулы равен 0. Однако молекулы обладают электрическими свойствами.
В первом приближении молекулу можно рассматривать как электрический диполь с дипольным моментом , где q – суммарный положительный заряд всех атомных ядер в молекуле; – вектор, проведенный из «центра тяжести» электронов в молекуле в «центр тяжести» положительных зарядов атомных ядер. Как всякий электрический диполь, молекула создает электрическое поле.
У симметричных молекул (Н2, О2, N2) в отсутствие внешнего поля = 0 (т.е. «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают) и р = 0. Такие молекулы называются неполярными, а диэлектрик – неполярным.
У несимметричных молекул (СО2, NH3, HCl) «центры тяжести» зарядов сдвинуты друг относительно друга. и р ≠ 0, т.е. молекулы обладают собственным дипольным моментом Такие молекулы называются полярными, а диэлектрик – полярным. У таких молекул р = const (жесткий диполь).
Под действием внешнего электрического поля происходит поляризация диэлектрика.
У неполярного диэлектрика происходит деформация электронных оболочек атомов и молекул. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно друг друга и неполярная молекула приобретает во внешнем электрическом поле индуцированный дипольный момент, пропорциональный напряженности поля:
р = ε0αЕ ,
где α – поляризуемость молекулы. Такая поляризация называется электронной или деформационной.
У полярного диэлектрика, когда внешнее электрическое поле отсутствует, в результате хаотического теплового движения молекул векторы их дипольных моментов р ориентированы хаотически. Поэтому суммарный дипольный момент полярного диэлектрика Σрi = 0.
Под действием внешнего электрического поля дипольные моменты молекул ориентируются в направлении вектора Е. Такая поляризация называется ориентационной или дипольной.
В ионных кристаллах (NaCl и др.) под влиянием внешнего электрического поля положительные и отрицательные ионы смещаются в противоположные стороны. Каждая ячейка кристалла становится диполем, и кристалл поляризуется. Такая поляризация называется ионной решеточной.
Количественной мерой поляризации диэлектрика является поляризованность диэлектрика Р:
,
где рi – дипольный момент i-ой молекулы; N – общее число молекул в объеме ΔV.
Поляризованность Р изотропных диэлектриков любого типа связана с напряженностью Е поля соотношением
, (1.10)
где – диэлектрическая восприимчивость диэлектрика, не зависящая от Е величина.
Различают два типа возбудителей (источников) электростатического поля в диэлектрике:
1) свободные заряды;
2) связанные или поляризационные заряды.
Например, поле в конденсаторе создается свободными зарядами на обкладках конденсатора с поверхностной плотностью σ и связанными зарядами с плотностью σ′, возникающими при поляризации диэлектрика.
Так как σ′ < σ, то результирующая напряженность поля равна
Е = Е0 – Е′,
где Е0 – напряженность внешнего поля; Е′ – напряженность поля, вызванного поляризацией диэлектрика.
Вычисление полей в диэлектрике упрощается, если ввести величину D, называемую вектором электрического смещения (электрической индукцией). Величина D характеризует электрическое поле, создаваемое только свободными зарядами, и определяется соотношением
D = ε0E + P. (1.11)
Подставляя (1.10) в (1.11), получаем
D = ε0(1 + )E. (1.12)
Безразмерная величина называется диэлектрической проницаемостью вещества. Для вакуума ε = 1, для диэлектриков ε > 1. Величина ε показывает, во сколько раз напряженность поля в вакууме больше напряженности поля в диэлектрике:
.
Таким образом, выражение (1.12) принимает вид
.
Следовательно, напряженность поля Е зависит от свойств среды, а электрическое смещение D – нет.