Вопросы и задания для контроля

Лабораторная работа 2. 2 «Определение диэлектрической проницаемости плоской пластины из диэлектрика »

Теоретические основы

Основные понятия, определения и формулы

1. Диэлектриками называются вещества, которые при обычных условиях практически не проводят электрический ток.

2. Поляризацией диэлектрика называется явление возникновения в электрическом поле в любом физически бесконечно малом объеме диэлектрика отличного от нуля суммарного электрического дипольного момента его молекул.

3. Вектор поляризованности ( ) служит количественной мерой поляризации диэлектрика; он численно равен дипольному моменту единицы объема рассматриваемого диэлектрика: .

4. Связанные или поляризационные заряды - это заряды, которые нельзя отделить друг от друга, заряды, которые принадлежат одной молекуле. Заряды ионов в кристаллических диэлектриках с ионной решеткой также называют связанными.

5. Заряды, которые хотя и находятся в пределах диэлектрика, но не являются связанными, а также заряды, расположенные за пределами диэлектрика, называются свободными или сторонними. Такие заряды могут передвигаться по всему образцу.

6. Неполярные молекулы это такие молекулы, у которых «центр тяжести» отрицательного заряда и положительного – совпадают.

7. Полярные молекулы имеют асимметричное строение и вследствие этого их положительные и отрицательные заряды имеют несовпадающие «центры тяжести», что и обуславливает наличие у них собственного дипольного момента.

8. Три типа диэлектриков: полярные, неполярные и ионные.

9. Три вида поляризации диэлектриков: дипольная или ориентационная; электронная или деформационная; ионная.

10. Диэлектрическая проницаемость среды - это физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля, создаваемого свободными зарядами в вакууме к модулю напряженности полного поля , создаваемого этими же зарядами в однородном диэлектрике: .

11. Вектор электрического смещения или просто вектор – это вспомогательный вектор, характеризующий электрическое поле, который определяется через вектор напряженности электрического поля в диэлектрике и вектор поляризованности: .

12. Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в диэлектриках: поток вектора сквозь произвольно выбранную замкнутую поверхность численно равен алгебраической сумме свободных зарядов, заключенных внутри этой поверхности. Математическая запись этой теоремы имеет вид:

Цель работы —изучить устройство плоского конденсатора; и экспериментально определить диэлектрическую проницаемость плоской пластины из диэлектрика.

Вопросы для допуска к лабораторной работе

1. Сформулируйте цель выполнения данной работы.

2. Расскажите ход выполнения работы

3. Дайте определение диэлектрической проницаемости вещества.

4. Какие вещества называются диэлектриками?

5. Какие типы диэлектриков Вы знаете? Назовите соответствующие им виды поляризации диэлектриков.

6. Расскажите о процессе поляризации диэлектриков различных типов. Дайте характеристику различным видам поляризации: электронной, ориентационной и ионной.

Методика и порядок измерений

Рис. 1 — Многослойный конденсатор

Пусть пространство между обкладками плоского конденсатора заполнено различными диэлектриками (рис. 1), располагающимися в виде слоев параллельно обкладкам (многослойный конденсатор). С помощью теоремы Остроградского-Гаусса для электростатического поля в диэлектрике можно доказать, что емкость такого многослойного конденсатора рассчитывается по формуле

где – электрическая постоянная, – площадь одной обкладки, – соответственно толщина и диэлектрическая проницаемость i-го слоя диэлектрика.

Пусть имеется плоский воздушный конденсатор с расстоянием между пластинами . Емкость такого конденсатора (для воздуха ). Если в пространство между его обкладками внести параллельно обкладкам плоскую пластину из диэлектрика толщиной , то получится трехслойный конденсатор, у которого первый и третий слои представляют собой воздушный диэлектрик , а второй — слой исследуемого диэлектрика с диэлектрической проницаемостью .

Емкость получившегося конденсатора:

Отсюда выразим . Это и есть искомое значение диэлектрической проницаемости ε = ε₂ плоской пластины из диэлектрика.

Измерения

1. Ознакомьтесь с принципиальной схемой лабораторной установки, проверьте правильность ее сборки (рис. 2).

2. Экспериментально определите величины емкостей и . Для этого используйте методику и порядок измерений, описанные в лабораторной работе 2.1. Величины напряжений задает преподаватель. — напряжение на конденсаторе до введения пластины из диэлектрика в воздушный конденсатор; — напряжение на конденсаторе после введения пластины из диэлектрика в воздушный конденсатор.

Рис. 2 – Принципиальная схема и общий вид лабораторной установки: С_о – конденсатор с известной емкостью, С_в – плоский воздушный конденсатор с неизвестной емкостью, С_d – тот же конденсатор с плоской пластиной из диэлектрика, К – переключатель, V – вольтметр

3. Определенные таким образом величины и включают в себя монтажную емкость схемы , которую приблизительно можно определить как разность между значением и рассчитанным значением , т. е. . Рассчитайте С_ви найдите .

4. По рассчитанному значению определите .

5. Определите ε по формуле . Заполните таблицу.

Материал диэлектрика___________; d₂ = _________; d = ________; S = ___________; =_____________; __________
№ пп	U	U₀	ε
1.
2.
3.
Среднее

6. Сформулируйте выводы по выполненной работе.

Вопросы и задания для контроля

I уровень

1. Какие типы диэлектриков Вы знаете? Назовите вещества, относящиеся к диэлектрикам различных типов.

2. Запишите формулу, раскрывающую физический смысл вектора поляризованности и сформулируйте его.

3. Как зависит поляризованность диэлектрика от напряженности результирующего электрического поля?

4. Какие заряды называются связанными?

5. Дайте определение диэлектрической проницаемости вещества.

6. Приведите формулу, устанавливающую связь между векторами напряженности электрического поля ( ), электрического смещения ( ), поляризации диэлектрика ( ).

7. Во сколько раз сила взаимодействия между точечными зарядами в веществе меньше силы взаимодействия их в вакууме?

8. Сформулируйте теорему Остроградского – Гаусса для электростатического поля в диэлектриках. Приведите ее математическую запись.

9. Что учитывает ?

II уровень

10. Расскажите о процессе поляризации диэлектрика. Дайте характеристику различным видам поляризации: электронной, ориентационной и ионной.

11. Сформулируйте и запишите связь вектора поляризованности с поверхностной плотностью связанных зарядов.

12. Выведите формулу для определения общей емкости нескольких последовательно соединенных конденсаторов.

13. Получите формулу для определения общей емкости нескольких параллельно соединенных конденсаторов.

14. Конденсатор C₁ выдерживает напряжение U₁, а конденсатор С₂=2С₁ — напряжение U₂. Какое напряжение выдержит батарея из двух последовательно соединенных конденсаторов?

15. Плоский конденсатор с площадью пластин S = 200 см² каждая заряжен до разности потенциалов U = 2 кВ. Расстояние между пластинами d = 2 см. Диэлектрик — стекло ( =6). Определить энергию W поля конденсатора.

16. Объясните изменение напряжения на конденсаторе С₀ после введения в воздушный зазор диэлектрика.

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 236; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!