МУ-Э-64 (1003809), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Выше мы рассматривали потенциальную энергиювзаимодействия зарядов посредством электрического поля. Эту энергию имеет само поле.8Если в объеме dV энергия поля равна dW, то объемная плотность энергии поля w,3Дж/м ,w=dW.dVw=ε0 E 2.2В вакууме объемная плотность энергииОбъемная плотность энергии пропорциональна квадрату напряженности поля.Динамические процессы в цепи с конденсатором.
Рассмотрим процессы зарядки иразрядки конденсатора в схеме на рис. 9. Конденсатор емкости C заряжают от источника тока ЭДСε через сопротивление R (рис. 9, а). По цепи протекает ток I. В любой момент вреIRεUCRUбaРис. 9. Конденсаторные цепи: а) зарядка; б) разрядкаεмени сумма напряжений U - на конденсаторе и IR - на сопротивлении равна ЭДС: = U + IR.В процессе зарядки напряжение на конденсаторе растет, а на сопротивлении – падает. По-εэтому ток в начале зарядки имеет максимальное значение I0 = /R, а дальше он убывает.
Расчеты показывают, что ток уменьшается по экспоненте (рис. 10, а)I, qI, qIqqItаtбРис. 10. Зарядка конденсатора: а) от источника постоянного напряжения; б) от источникапостоянного тока. I – сила тока, q – заряд на обкладке.9I = I0 exp (- t /τ),(17)а заряд конденсатора - возрастает (рис. 10, а)q=Cε (1 - exp (- t /τ)).(18)Величинаτ = R⋅C(19)называется временем релаксации.εЕсли к заряженному до напряжения конденсатору подключить сопротивление R(рис. 9, б), ток разряда будет уменьшаться по формуле (17), а напряжение, пропорциональноетоку, - по такому же законуU=ε exp (- t /τ).(20)За время разрядки, равное τ, напряжение уменьшается в e ≈ 2,72 раза, а энергия конденсатора, пропорциональная квадрату напряжения – в e2 ≈ 7,4 раза.В главном опыте данной работы используется другой режим зарядки конденсатора, аименно, стабильным в процессе зарядки током I = const.
Для этого применяется специальныйисточник тока с электронной стабилизацией. В этом случае заряд (и напряжение) конденсатора увеличиваются пропорционально времени (рис. 10, б)q =It(21)Такой режим позволяет определить заряд конденсатора, зная силу тока и время зарядки.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ1. Демонстрация процессов зарядки и разрядки конденсатора, а также энергии в заряженном конденсаторе.Схема блока №2 «Демонстрация работы конденсатора» показана на рис. 11. Лампаслужит индикатором тока, а ее свечение при разряде конденсатора демонстрирует запасенную в нем электрическую энергию.10ЗарядкаРазрядкаRИИСТЛCРис. 11.
Установка для демонстрации работы конденсатора:И – индикатор сетевого напряжения; ИСТ – источник постоянного напряжения 30 В; C = 0,022 Ф; R = 110 Ом; Л – лампа накаливания на напряжение 24 В иток 0,1 А.Зарядка конденсатора от источника постоянного напряжения будет происходить поэкспоненциальному закону (см. (18) и рис. 10, а), а разрядка – по зависимости (20).Порядок выполнения задания.1. Установить переключатель в положение «РАЗРЯДКА».2. Источник питания включить в сеть вилкой, при этом должен загореться световойиндикатор «СЕТЬ».3. Установить тумблер в положение «ЗАРЯДКА». При этом через лампу потечет зарядный ток.
По яркости свечения лампы можно судить о величине тока. Объяснить, почему впроцессе зарядки сила тока убывает?4. Переключить тумблер в положение «РАЗРЯДКА» и наблюдать свечение лампы засчет энергии конденсатора при его разрядке. При этом источник питания не работают, в чемможно убедиться, отключив его от сети.5. Повторить опыт.
Измерить время, в течение которого наблюдается свечение лампыпри зарядке и при разрядке конденсатора. Результаты записать в табл. 1.Демонстрационная установкаТаблица 1Примерное время зарядки (разрядки), сτ = RC, с6. Вычислить время релаксации τ (см. (19)), где R – полное сопротивление, включающее сопротивление резистора 110 Ом и сопротивление лампы. Сопротивление лампы вычислить, исходя из параметров лампы – напряжения 24 В и силы тока 0,1 А. Считать, что сопротивление лампы не зависит от силы тока. Результаты вычисления τ записать в табл. 1.7.
Сравнить расчетное время τ с результатами измерений. Сделать выводы.2. Методика изучения потенциального поляВ опыте проверяют следующие выводы теории для конденсатора: напряжение междуобкладками пропорционально заряду (см. (14)), а энергия пропорциональна квадрату заряда(см. (16)).Эти выводы базируются на следующих положениях. Источником потенциальногополя являются заряды. При зарядке конденсатора электроны перемещаются по проводам с11одной обкладки на другую, создавая на обкладках равные заряды противоположного знака.Заряды создают в конденсаторе электрическое поле, количественной характеристикой которого служит напряжение между обкладками.
Поле обладает энергией. Объемная плотностьэнергии пропорциональна квадрату напряженности, или квадрату напряжения (или заряда)конденсатора.Схема лабораторной установки показана на рис. 12. Батарею конденсаторов большойемкости C заряжают от источника тока «ИСТ» в положении 2 переключателя. Источник,имеющий электронную регулировку, создает стабильный ток зарядки (I = const) на протяжении всей зарядки до 30 В. Силу тока измеряют амперметром A, а напряжение конденсатора U- вольтметром V.
Заряд на обкладке определяют по формуле q = I t, где t – время зарядки,составляющее десятки секунд.1234ТПИСТРA ЛRCVНКТРис. 12. Схема установки для изучения потенциального поля:ИСТ – источник стабильного тока; A – амперметр; V – вольтметр; Н – нагреватель калориметра; КТ – нагреваемое калориметрическое тело; ТП – термопара; Р – прибор дляизмерения температуры.Положения переключателя: 1 – разрядка конденсатора перед очередным измерением, 2 – зарядка конденсатора, 3 – окончание зарядки и измерение напряжения, 4 –измерение энергии конденсатора калориметромПо результатам измерений строят графическую зависимость U от q и сравнивают ее стеорией (см.
(14)), а также находят емкость конденсатора.Энергию конденсатора измеряют с помощью калориметра – прибора для измеренияколичества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в к.-л. физическом, химическомили биологическом процессе.Калориметр (см. рис. 12) состоит из небольшой металлической пластинки КТ (телакалориметра) с нагревательной спиралью Н и электрического термометра – термопары ТП срегистрирующим прибором Р.Для измерения энергии W конденсатора его разряжают через нагреватель калориметраи измеряют приращение температуры ∆T вещества калориметра. Процесс происходит быстро, поэтому теплота идет на нагревание калориметра; теплоотдачей окружающим теламможно пренебречь.Выделившаяся теплота Q, равная W, и приращение температуры связаны соотношениемW = Q = CT ∆T,(22)12где CT, Дж/К – теплоемкость нагреваемого тела.
Приращение температуры измеряют термопарой.Величину ∆T принимают за энергию конденсатора в условных единицах и проверяютее зависимость от заряда.3. Ознакомление с прибором № 1 и задание зарядного токаУстановка № 1 «Потенциальное поле» показана на рис. 13. В качестве малоинерционного калориметра 2 используется переменный резистор в алюминиевом корпусе 13х13х5 мм.129387654Рис. 13. Установка № 1 «Потенциальное поле»:1 – переключатель режима измерений; 2 – калориметр; 3 – термопара; 4 – конденсаторы; 5– мультиметр – прибор для измерения тока и напряжения; 6 – прибор для измерения температуры калориметра; 7 – источник стабильного тока для зарядки конденсаторов; 8 –выключатель «СЕТЬ»; 9 - блок питания вентилятора на 12 ВВнутри корпуса находится проволочное сопротивление 25 Ом, имеющее хороший тепловойконтакт с алюминием. К корпусу прижата термопара 3, подключенная к регистрирующемуприбору 6.Термопара – электрический термометр.
Она состоит из двух разнородных проводов,изготовленных из специальных сплавов. Спай проводов прижат к калориметру. При нагревании спая на концах проводов возникает напряжение, пропорциональное приращению температуры.Переключателем 1 на четыре положения устанавливают режим работы установки.Установку включают выключателем 8 «СЕТЬ». При этом включается батарейное питаниеизмерительных приборов и источник 9 постоянного напряжения 12 В для работы вентилятора.Порядок выполнения задания.1.
Зарисовать в отчете электрическую схему установки (см. рис. 12).2. Переключатель 1 (см. рис. 13) установить в положение 1.3. Подключить установку к сети двумя вилками. Включить выключатель 8 «СЕТЬ».При этом должны заработать измерительные приборы и вентилятор.4. Прибор 6 установлен в режим измерения температуры калориметра. Прибором 5измеряют зарядный ток I в амперах по верхней шкале и напряжение на конденсаторе U ввольтах – по нижней шкале .5. Источник питания 7 включить тумблером «POWER» с подсветкой.136. Ручки «VOLTAGE» и «FINE» источника повернуть по часовой стрелке до упора.
Вэтом режиме конденсатор можно зарядить до максимального напряжения 30 В. Это положение не изменять в течение всей лабораторной работы.7. Ручку «CURRENT» повернуть до конца против часовой стрелки, при этом ток источника минимальный или равен нулю.8. Переключатель 1 на рис. 13 поставить в положение 2 – зарядка конденсатора. Медленно вращая ручку «CURRENT», установить зарядный ток примерно 0,1 А. Ток контролировать прибором 5 по верхней шкале. Примечание. Измерительные приборы источника питания менее точные и в работе не используются.9. Если за время зарядки ток не был установлен, процедуру повторить.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
