ОБЩАЯ ФИЗИКА МАГНИТИЗМ И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО (С.П. Степина, Н.Б. Бутко - Лабораторный практикум по курсу Общая физика. Электричество и магнетизм (исправленное издание 2018)), страница 2

На листе миллиметровой бумаги начертить в натуральную величину горизонтальные проекции электродов, 2. Поместить зонд С на расстоянии 1 см от электрода и зафиксировать разность потенциалов. Передвинуть зонд по ванне и найти точки, где показания вольтметра не меняются. Положение этих точек отметить на листе бумаги. Зонд следует вести по всей ширине ванны, непрерывно отмечая показания вольтметра. Число отмеченных точек при этом должно быть не менее 10.

Эти точки соединяются, и получается эквипотенцнальная линия. 3. Аналогично вычертить 5-7 эквипотенциалъных линий. Лучше всего по три эквипотенциальные линии возле каждого электрода и одну-две посередине. Это нужно сделать потому, что особый интерес представляет структура поля вблизи электродов. 4. Те же операции провести с другими электродами (или другим расположением электродов друг относительно друга). Зарисовать эквипотенциальные линии для каждой пары электродов.

5. По полученным системам эквипотенциальных линий строят для всех изученных полей картины силовых линий. 6, Рассчитать по графику несколько значений напряженности электрического поля, 11 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА БАЛЛИСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ Цель работы: изучить метод измерения емкости с помощью гальванометра, работающего в баллистическом режиме, экспериментально проверить формулы для последовательного и параллельного соединения конденсаторов в батареи.

Оборудование: источник питания, баллистический гальванометр, магазин конденсаторов, два конденсатора неизвестной емкости, переключатель (двойной ключ), реостат, генератор релаксацнонных колебаний, осциллограф, магазин сопротивлений. Краткаятеория Если конденсатор получает заряд д, то между его обкладками возникает разность потенциалов К связанная с зарядом д формулой . Здесь С вЂ”, коэффициент пропорциональности между зарядом и разностью потенциалов — есть емкость конденсатора. Размерность' емкости 1С1 = Й, следовательно, в систе- 1 кулон ме СИ единицей емкости будет —.

Эта единица называ- 1 вольт ется фарадой и обозначается буквой-ф. Для практики более удобны меньшие единицы — микрофарады (1 мкф = 10 о ф) и пикофарады (1 пф = 10 ~~ ф). В системе СГСЭ емкость измеряется в сантиметрах: 12 з ю' 1 Ф = = СГСЭс = 9 ° 1011см, 1в 1~Зов следовательно, -1 см = 1 пф. Следует подчеркнуть, что хотя емкость определяется отношением заряда к разности потенциалов, она не зависит ни от заряда, ни от разности потенциалов, а определяется.,размерами и геометрической формой обкладок и свойствами диэлектрика, который находится между обкладками. Емкость любого тела равна заряду, который нужно сообщить этому телу, чтобы его потенциал повысился на 1.

В. Конденсаторы могут соединяться в батареи параллельно и последовательно (рис. 1, 2). С1 Рис. 1. Параллельное соединение конденсаторов Рис. 2. Последовательное соединение конденсаторов Чтобы получить большую емкость, конденсаторы соединяются параллельно. При параллельном соединении общая емкость равна сумме емкостей С1 + С2 + (2) 13 При последовательном соединении общая емкость вычисляется по формуле 1 1 1 — = — + — + с с, с, Это дает возможность подавать на батарею конденсаторов напряжение, большее, чем то, на которое рассчитан енсато .

П и этом емкость бата еи меньше ем- каждыи конд Р Р р кости любого из составляющих ее конденсаторов. Измерение емкости конденсаторов может быть произведено различными способами. В данной работе оно сводится к измерению заряда, который получает конденсатор при заданной разности потенциалов: о С = —. л' ! Заряд измеряется галь ванометром, работающим в баллистическом режиме.

Баллистический метод является одним из важнейших приемов измерений электрических и магнитных величин, поэтому необходимо его детальное рассмотрение. Гальванометр устроен следующим образом (рис. 3). Рис. 3. Устройство гааъваиометра 14 Легкая рамка А, на которой намотана тонкая изолированная проволока, подвешена на тонких упругих нитях между полюсами постоянного магнита. Если по проволоке проходит ток,У, то на рамку действует момент силы М, пропорциональный этому току: (4) где 6 — модуль кручения подвеса. Тогда период свободных колебаний рамки Т, если она имеет момент инерции У, будет определяться формулой Т = 2а~~ —. Г (5) Эта формула вытекает из уравнения движения для вращающегося тела: с1'я 1 — = М = — 6а йг' или аФа ба — + — = О.

аР 1 Это уравнение колебательного движения. Квадрат круговой частоты колебаний равен 15 где а — коэффициент пропорциональности, который зависит от устройства прибора (числа витков на рамке, магнита и т.д.). Под действием момента силы М рамка поворачивается на некоторый угол и закручивает нити подвеса. Угол поворота можно определить методом зеркала и шкалы. Рамка является механической колебательной системой.

Момент упругих сил подвеса М можно считать пропорциональным углу поворотарамки а: апоскольку то период колебаний Предположим, к клеммам гальванометра присоединили обкладки заряженного конденсатора. Конденсатор будет разряжаться, н через гальванометр пройдет импульс тока, форма которого изображена на рис. 4. Рие.

4. Форма импульса тока Гальванометр работает в баллистическом режиме, если время прохождения импульса тока т через рамку много меньше периода свободных колебаний рамки Т: (б) т « Т. Тогда за время т рамка не успеет заметно сместиться из положения равновесия, и действие импульса тока на рамку будет подобно механическому удару. Отсюда происхождение названия «баллистический метод». 16 Если угловая скорость рамки в момент окончания разряда равна ше, то ее момент количества движения равен 7вс и по второму закону динамики 7~о = 3о М~г (') Но согласно формуле (1) М~й = а ~ 1с(г = ад, (8) где а „вЂ” максимальный угол, на который закручиваются нити подвеса.

Зная, что !ма = ап (см. формулу (8)), мы мо-, жем написать где  — постоянная для данного прибора величина, называемая баллистической постоянной. Таким образом, если известна величина В, то по измерению первого максимального отброса гальванометра а„, можно измерить полную величину заряда, прошедшего через гальванометр. Описаниеустановки Схема установки для измерения емкостей конденсатора изображена на рис. 5, 17 где д — полный заряд, прошедший через гальванометр, Кинетическая энергия, которую приобретает рамка, Ея = — йог~,. В процессе поворота эта энергия переходит в пог тенциалъную энергию упруго деформируемого подвеса.

По закону сохранения энергии (если пренебречь силами, которые тормозят движение рамки) можно написать 2 ~а~О битах» г (9) Здесь Ст — гальванометр (миллиамперметр типа М95), который включается в схему через шунт типа Р-4; К вЂ” переключатель (двойной ключ). При контакте с клеммами 1 и 2 конденсатор С будет заряжаться от источника Я (батарея с ЭДС около 1,5 В). Рис. 5.

Схема установки При переключении на контакты 3 и 4 конденсатор будет разряжаться через гальванометр; рамка гальванометра повернется на угол а и световой указатель сместится на и делений шкалы. Таким образом, Ч 8 птах или 8 = — — постоянная гапьванометра, выраженная в кую ч вжах лонах на деление шкалы. Напряжение на конденсатор подается от источника Я; через потенциометр Р оно может изменяться (путем передвижения ползунка ьЭ) от нуля до 1 — 1,5 В (в зависимости от качества батареи Е). Напряхсение измеряется вольтметром Р.

Ключ Кз служит для включения батареи; он предохраняет батарею от разряда через сопротивление реостата А. Примечание. Гальванометр является прибором высокой чувствительности. Поэтому студенты должны работать с 18 гальванометром аккуратно. Если обнаруживается какая-либо неполадка, нужно обратиться к преподавателю или лаборанту. Порядок выполнения работы Уприжнение 1. Определение баллистической постоянной установки 1. Собрать схему согласно рис.

5. В качестве емкости С взять эталонный конденсатор. Это магазин емкостей, который дает возможность изменять емкость от 0,001 до 0,25 мкф. Величину эталонной емкости необходимо подобрать в соответствии с чувствительностью гальванометра: при разрядке конденсатора световой указатель гальванометра не должен выходить за пределы шкалы. 2.