Практикум по системам единиц (лабы №39, 4.1) (1129367), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Наэтом основан принцип действия электростатического вольтметра. Сила притяжения его электродов измеряется путём сравнения с какой-нибудь механической силой, например с силой упругой деформации спиральной пружины.Так действуют обычные электростатические вольтметры, широко применяемые в технике измерений. В данной работе электрическая сила притяжениядвух пластин плоского конденсатора сравнивается с весом гирек при помощианалитических весов.В абсолютной гауссовой системе (СГС) единица электрического зарядаопределяется через основные единицы: сантиметр, грамм и секунду.
Поэтому, измерив силу притяжения электродов, их размеры и расстояние между ними, можно определить скопившийся на них заряд, а следовательно, иразность потенциалов между ними, то есть удаётся найти электрическое напряжение, измеряя одни только механические величины. Такие измерения ииспользуемые для этой цели приборы принято называть абсолютными.В системе СИ вводится дополнительная основная единица силы тока —ампер. Единица электрического заряда определяется через основные единицы: ампер и секунду. Как всегда в физике, введение добавочных независимых23Выпрямительединиц приводит к появлению размерных констант. В формулах электростатики в системе СИ появляется размерная константа ε0 , называемая электрической постоянной. Определение этой константы является одной из задачданной работы.Обозначим через q заряд конденсатора и через E1 — напряжённость электрического поля, создаваемого одной из пластин плоского конденсатора в томместе, где находится вторая пластина.
На вторую пластину действует со стороны первой сила F = qE1 , равная, конечно, силе действия второй пластинына первую. Напряжённость поля E1 связана с плотностью электрическогозаряда σ = q/S соотношением E1 = σ/2ε0 . Таким образом,F =1 q2.2ε0 SRw44K?1 ??3∅∅+∅II2h6g∅IV−∅(1)Рис. 1. Схема экспериментальной установкиДля плоского конденсатора q = U C = U ε0 S/d, где d — расстояние междупластинами. Окончательно получаемОпыты при постоянном напряжении на пластинах конденсатора можноиспользовать для определения электрической постоянной и для измерениякоэффициента, переводящего напряжение, выраженное в вольтах, в единицысистемы СГС.
Квадратичный характер связи между силой и напряжениемпозволяет измерять с помощью весов и переменные напряжения, напримернапряжение электрической сети. В нашей установке опыты проводятся только при постоянном напряжении.Экспериментальная установка. Основной составной частью экспериментальной установки являютсяаналитические весы (рис.
1), одна из чашек которыхзаменена подвижной пластиной 1 плоского воздушного конденсатора. Эта пластина заземлена. Высоковольтная неподвижная пластина 2 помещена внутризаземленного электростатического экрана 3. Верхняячасть экрана имеет вид кольца, окружающего пластину 1 (охранное кольцо).Нижние поверхности пластины и кольца лежат водной плоскости. Так как их потенциалы равны, тоони как бы образуют один проводник; электрическоеполе оказывается однородным вдоль всей поверхноРис. 2. Конструкциякрепления подвижнойсти подвижной пластины, в том числе и у её краев.Напряжение на конденсатор подается от высо- пластины конденсатораковольтного выпрямителя. Высокоомный резистор(3 МОм), вмонтированный в выпрямитель, ограничивает ток короткого замыкания при случайных замыканиях пластин конденсатора.
Параллельнопластинам конденсатора включён обычный электростатический вольтметр.Измерения проводятся в условиях равновесия электрических и механических сил. Как следует из формулы (2), электрические силы быстро возрастают с уменьшением зазора между пластинами. С другой стороны, механические силы, обеспечивающие равновесие аналитических весов, возрастаютпри наклонах коромысла крайне медленно. В условиях нашего опыта равновесие весов при равенстве электрических и механических сил оказываетсяпоэтому неустойчивым.2425F =ε0 SU 22d2(2)илиU =dr2Fε0 S(в СИ).(3)Формула (3) определяет в системе СИ связь между напряжением на конденсаторе и силой притяжения его пластин.
Нетрудно получить аналогичнуюформулу в системе СГС. Проводя те же рассуждения, что и выше, найдёмU = 2dr2πFS(в СГС).(4)При настройке прибора на левую чашку весов кладется некоторый перегрузок. При этом положение весов фиксируется тремя контактными винтами4, расположенными в вершинах равностороннего треугольника (рис. 1 и 2).Винты упираются в контактные площадки 5, установленные на верхней плоскости подвижной пластины. Напряжение на пластинах регулируется с помощью реостата R выпрямителя. Электрические силы, действующие на пластину 1, возрастают по мере увеличения потенциала неподвижной пластины.В тот момент, когда эти силы сравниваются с весом перегрузка, коромысло теряет устойчивость и подвижная пластина «прилипает» к неподвижной.Этот момент фиксируется по движению стрелки весов.3.ЗАДАНИЕВ работе предлагается исследовать связь между силой притяжения пластин и разностью потенциалов между ними для определения электрическойпостоянной ε0 и коэффициента, переводящего напряжение из вольт в единицы СГС.Регулировка измерительного конденсатора требует определённыхнавыков и может производиться только лаборантом илимехаником.
Студент проверяет регулировку пластин визуально, неменяя их настройку самостоятельно.1. Перед началом работы рассчитайте по формуле (2) максимально допустимуюнагрузку, исходя из предела измерений электростатического вольтметра.
Расстояние между пластинами d и площадь пластин S указаны на установке.2. Соберите схему согласно рис. 1.По уровню, расположенному на основании весов, проверьте, занимает липлатформа весов горизонтальное положение. При этом подвижная пластина измерительного конденсатора должна располагаться в центре охранногокольца, не касаясь его.
При обнаружении неисправностей обратитесь к лаборанту.Проверьте регулировку положения равновесия коромысла ненагруженных весов. Для этого следует отключить пластины конденсатора от выпрямителя и соединить их друг с другом (ключ К на рис. 1 переводится в нижнееположение). Осторожно, чтобы не сбить опорные призмы коромысла, освободите весы от арретира. В положении равновесия при закороченных пластинах упорные штифты должны быть близки к контактным пластинам идолжны касаться их при незначительных (∼ 10 мг) перегрузках на левойчашке весов.При необходимости проведите регулировку положения коромысла весов.Для этого снова арретируйте весы и перемещая тарировочные гайки, расположенные на концах коромысла, добейтесь того, чтобы стрелка весов оказалась на нулевом делении шкалы.
Поворот гаек и изменение груза на чашке264.5.6.весов всегда производятся при арретированных весах, а проверка положениякоромысла — когда весы сняты с арретира. Для изменения груза открываются боковые дверцы весов (фронтальная дверца открывается только на времяремонта).Исследуйте зависимость силы притяжения пластин от напряжения на конденсаторе. Для измерения напряжения применяется электростатическийвольтметр (вольтметр, вмонтированный в выпрямитель, для измерений неиспользуется).Переведите ключ К в положение измерения. Положите на левую чашку весов груз, равный примерно 0,1 от максимально допустимого. При этомподвижная пластина должна прижаться к упорным штифтам.
Подберите напряжение, приводящее к потере устойчивости весов. Оно соответствует моменту начала движения стрелки весов.Рекомендуется уточнить это напряжение 2–3 раза, каждый раз всё медленнее поворачивая ручку реостата R. Перед каждым измерением напряжения следует закорачивать пластины конденсатора ключом К, чтобы снять спластин остаточный заряд.Проведите такие измерения не менее чем в десяти точках, равномернорасположенных в рабочем диапазоне нагрузок.Сразу после измерений изобразите результаты на графике в координатах F ,U 2 . Если полученные точки в пределах ошибок опыта ложатся на прямуюлинию, эксперимент можно закончить.
Если прямой линии не получилось,следует найти и устранить ошибку.По наклону прямой F = f (U 2 ) рассчитайте значение электрической постоянной ε0 .Используйте результаты измерений для определения коэффициента переводаединиц напряжения из системы СГС в систему СИ. Напряжение в единицахСГС может быть вычислено по формуле (4), а показания электростатического вольтметра позволяют определить это напряжение в вольтах. Изобразитеполученные результаты на графике в координатах U (в СГС)= f (U В) и понаклону прямой, проведенной через экспериментальные точки, определитекоэффициент пересчёта напряжений.Контрольные вопросы1.
Оцените ошибку, возникающую вследствие того, что равновесие весов устанавливалось при наличии небольшого зазора между штифтами и контактными пластинами,а измерения производятся при отсутствии этого зазора.2. Покажите, что электростатический вольтметр пригоден для измерения как постоянного, так и переменного напряжения.3. Покажите, что измерения на переменном токе определяют именно эффективноезначение его напряжения.4. Чем определяется интервал частот, в котором можно измерять переменные напряжения с помощью электростатического вольтметра?27.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
