ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ВЕСЫ НАПРЯЖЕНИЯ


1. Введение


Цель работы – определение разности потенциалов, приложенной к двум параллельным плоским пластинам, путем измерения силы притяжения этих пластин друг к другу.

Связь между силой взаимодействия пластин F и разностью потенциалов U между ними можно установить следующим образом. Пластины, расстояние между которыми равно d, образуют плоский конденсатор (рис. 1). При расчете силы будем исходить из того, что нижняя пластина с зарядом –q находится в электростатическом поле, создаваемом верхней пластиной с зарядом +q. Если расстояние между пластинами много меньше их линейных размеров, то поле верхней пластины можно считать однородным. Тогда сила притяжения, испытываемая нижней пластиной, определяется по формуле F=Eq, где Е – напряженность поля, создаваемого верхней пластиной в тех точках, где находится нижняя пластина.








В указанном приближении Е рассчитывают по формуле для напряженности поля бесконечно большой плоскости . Так как , где q — заряд, a S – площадь верхней пластины, то . Таким образом,

. (1)

Учитывая, что q = CU, а емкость плоского конденсатора равна , вместо (1) получим

,

откуда

. (2)

Поскольку для круглых пластин (D – диаметр пластин), окончательная расчетная формула примет вид

(3)


2. Описание установки и метода измерений


Для определения силы притяжения между пластинами служит прибор, называемый весами напряжения (рис. 2). Медная круглая пластина М укреплена неподвижно на изолированной подставке; сверху на пластине М расположены

















Рис. 2

эбонитовые изоляторы. Над пластиной помещен диск А из алюминиевой фольги того же диаметра, что и пластина М. Эти пластины образуют плоский конденсатор. Для получения однородного поля между пластинами они располагаются на расстоянии d, малом по сравнению с диаметром D пластин. Диск А подвешен на металлических нитях Н, являющихся одновременно проводниками, подводящими к диску напряжение, и на металлической пружине П, по удлинению которой .можно определить силу взаимодействия F между пластинами. По закону Гука сила упругости пружины равна F=kℓ, где k – коэффициент упругости, численно равный силе, вызывающей единичное удлинение; – удлинение пружины. Для нахождения величины в конце пружины располагают метку N (рис. 2). При включении напряжения диск А (предварительно приближенный к диску М на расстояние 0,5—1 мм) под действием электрического поля притягивается к диску М. В этот момент отмечают положение h1 метки N. Затем с помощью вращения блока Б медленно растягивают пружину до момента отрыва диска А. Момент отрыва наступит, когда сила упругости пружины станет равной силе взаимодействия между заряженными пластинами. После отрыва диск А повисает на нитях Н. После затухания колебаний пружины отмечают новое положение h2 метки N. Так как h1 и h2 есть положения метки N непосредственно перед отрывом и после него, то разность h2h1 дает удлинение пружины = h2h1 под действием электрической силы взаимодействия пластин. Положения меток h1 и h2 определяют с помощью катетометра, предназначенного для измерения длин в вертикальном направлении (рис.3). Для определения h1 (или h2) перемещением рейки К добиваются совмещения визирной нити В и метки N. Отсчет производят по миллиметровой шкале, нанесенной на стойку, с помощью нониуса С, точность которого 0,1 мм. Измеряемое напряжение подается на пластины А и М от вторичной обмотки повышающего трансформатора. Указанным способом находят амплитудное значение этого переменного напряжения.












Рис. 3

Рассмотренный в работе метод является одним из абсолютных методов измерения разности потенциалов. Абсолютным называется метод определения напряжения через механические величины без использования электроизмерительных приборов.

Принцип взаимодействия двух или нескольких заряженных проводников положен в основу устройства электростатических вольтметров, которые служат для непосредственного измерения высоких напряжений.


3. Порядок выполнения работы


  1. При помощи блока Б опускают диск А до тех пор, пока он, не касаясь эбонитовых изоляторов, подойдет очень близко к ним (0,5—1 мм).

  2. Включают тумблер Р, находящийся на корпусе прибора. Под действием электрического поля диск А притянется к диску М и опустится на изоляторы.

  3. Определяют катетометром положение h1 нижней метки N.

  4. Медленно вращают блок Б до момента отрыва диска А от изоляторов.

  5. После успокоения пластины определяют новое положение h2 нижней метки N.

  6. Все операции, указанные в пп. 1 – 5, повторить не менее трех раз.


4. Обработка результатов измерений


Определение разности потенциалов

Данные установки:

d= . . . ; D= . . . ; К= . . . .

Таблица 1

п/п

h1 мм

h2, мм

,м

F, Н

U, В

1

2

3






Среднее





  1. Вычисляют удлинение (деформацию) пружины по средним значениям h1 и h2.

  2. Находят силу взаимодействия по формуле F=kℓ.

  3. Зная F, d, D, определяют по формуле (3) величину из меряемого напряжения.

  4. По обычным правилам рассчитывают погрешности U/U и U; записывают окончательный результат.

  5. Дополнительное задание: а) ответить на вопрос, как изменится удлинение пружины, если диск А будет иметь меньший диаметр; б) как вычислить F, если d сравнимо c D.


5. Контрольные вопросы


  1. В чем сущность данного метода определения U?

  2. Какие предположения были сделаны при выводе расчетной формулы?

  3. Какое поле Е и какой заряд q берутся в формуле F=Е q.

  4. Как практически рассчитывается сила притяжения пластин?


ЛИТЕРАТУРА

1. Детлаф А. А., Яворский Б. М., Милковская Л. Б. Курс физики. Т. 2. – М.: Высш. школа, 1977, § 5.2, 5.4.






Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.