ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИЗУЧЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ


1. Введение


Цель работы состоит в определении величины относительной диэлектрической проницаемости и изучении зависимости, от температуры; по характеру температурной зависимости делают заключение о типе диэлектрика.








Рис. 1


Диэлектрические свойства жидкостей обусловлены структурой молекул, из которых состоят эти жидкости. С этой точки зрения все молекулы можно разбить на две группы, отличающиеся своим поведением во внешнем электрическом поле. Первая группа характеризуется симметричным расположением электрических зарядов. В этих молекулах (Н2, Na) центры тяжести зарядов разных знаков совмещены и дипольный момент р молекул в отсутствие внешнего поля равен нулю. Поэтому такие молекулы называют неполярными. Ко второй группе относятся молекулы, которые обладают несимметричным распределением заряда (например, Н2О, рис. 1) и, как следствие этого, отличным от нуля собственным дипольным моментом , где q положительный заряд молекулы (или равный ему по модулю отрицательный заряд), – расстояние между центрами тяжести этих зарядов. Такие молекулы называются неполярными.

Процесс поляризации неполярной молекулы сводится к смещению центров тяжести зарядов друг относительно друга: положительных – по направлению поля, отрицательных – против. В результате молекула приобретает дипольный момент . Тепловое движение почти не влияет на процесс поляризации неполярных молекул.

Действие внешнего поля на полярную молекулу заключается в ориентации вдоль поля уже имеющихся в диэлектрике диполей. Эта ориентация будет тем полнее, чем сильнее электрическое поле и чем слабее тепловое движение, т. е. ниже температура. Следовательно, для диэлектриков с полярными молекулами уменьшается с ростом температуры.

Диэлектрическую проницаемость легко найти из отношения = С2/С1 где С2 – емкость конденсатора, между обкладками которого находится диэлектрик; С1 – емкость того же конденсатора без диэлектрика.


2. Описание установки и метода измерений


Работа состоит из двух частей. В первой части определяют величину диэлектрической проницаемости жидкости , во второй изучают зависимость от температуры. Для определения используют цепь (рис. 2),














Рис. 2

состоящую из звукового генератора Г, напряжение которого изменяется по закону , сопротивления R, конденсатора С, лампового вольтметра ЛВ и осциллографа. Если конденсатор включен в цепь переменного тока, то его заряд в течение малого промежутка времени dt увеличится на dq, где dq = Idt. Ток I в цепи в общем случае зависит как от сопротивления R, так и от конденсатора С. Величина R подбирается настолько большой, что напряжение на сопротивлении много больше, чем напряжение на конденсаторе, т. е. выполняется условие R>>1/ωС, при котором влияние емкости на силу тока будет мало. В этом приближении с достаточно высокой точностью можно считать ток в цепи равным . Отсюда закон изменения заряда на конденсаторе будет иметь вид

.

Константу интегрирования следует положить равной нулю, так как она обозначает произвольное постоянное значение заряда на конденсаторе, не связанное с колебаниями. Разность потенциалов на пластинах конденсатора определяется из соотношения U = q/C, откуда

.

Выражение U0/RCω = UB является амплитудным значением разности потенциалов и может быть измерено ламповым вольтметром. Сохраняя постоянными напряжение генератора U0, частоту генератора ω, сопротивление R, измеряют на конденсаторе без диэлектрика и на конденсаторе, погруженном в диэлектрик. Тогда

,

и отношение

Так как C2/C1 = , то расчетной формулой для определения относительной диэлектрической проницаемости является выражение

(1)

Поскольку в расчетную формулу входит отношение напряжений, то оказывается несущественным, как именно проградуирован ламповый вольтметр (по эффективным значениям или по амплитудным). Измерения производят при двух разных напряжениях на выходе генератора U0 и при разных частотах (=2).

Конденсатор укреплен на крышке бачка, внутри которого находится исследуемая жидкость (трансформаторное маcло). С помощью винта можно поднимать или опускать крышку вместе с конденсатором по вертикальным направляющим стойкам, между которыми установлен бачок. Качественную картину изменения напряжения на конденсаторе при погружении его в жидкость (или при изменении частоты ) можно наблюдать на экране осциллографа (ЭО), (рис. 2). Для изучения зависимости от t проводят нагревание диэлектрика в интервале температур 20 – 40°С. Для этой цели в установке предусмотрена обычная электроплитка, которая жестко скреплена с бачком.


3. Порядок выполнения работы


Часть 1


  1. Собирают схему в соответствии с рис. 2. Для удобства соединения проводов на установке имеется панель с двумя рядами клемм. На этой панели вмонтировано сопротивление R = 30 кОм. Концы кабелей от приборов с обозначением «земля ()» должны быть вставлены в клеммы одного ряда (где отсутствует R).

  2. Поднимают конденсатор так, чтобы он полностью находился в воздухе.

  3. Включают генератор тумблером «сеть».

  4. Устанавливают на вольтметре генератора с помощью ручки «регулировка выхода» значение U0 в пределах 5 – 10В и по шкале частот значение 1 = 50 кГц. (Положения всех ручек генератора и осциллографа подробно указаны в таблице к установке.)

  5. Измеряют по ламповому вольтметру значение , установив предел измерения ЛВ на 3 В. При всех измерениях обязательно отсоединяют осциллограф.

  6. Повторяют измерение при других значениях частот, например: 2=75 кГц; 3=100 кГц; 4=125 кГц и т.д. до 200 кГц. При этом непрерывно следят за постоянством U0. Если отклонения ЛВ при этом будут менее, чем на половину шкалы, то следует перевести предел измерения его на 1 В или на 300 мВ.

  7. Погружают конденсатор в диэлектрик (масло) и проводят измерения при тех же частотах 1, 2, 3, 4 . . . аналогично пп. 4, 5, 6.

  8. По указанию преподавателя повторяют измерения при

  9. другом U0.

  10. Подключив к цепи осциллограф (рис. 2), наблюдают качественную картину изменения напряжения на экране осциллографа при изменении частоты генератора и при погружении конденсатора в диэлектрик (при неизменной частоте). Устойчивости изображения добиваются с помощью ручек осциллографа «стабильность» и «уровень».


Часть 2


  1. Устанавливают на генераторе значение U0 и одно из значений частоты п. 7.

  2. Включают плитку в сеть (предел 150 Вт). Нагревание производят при включенной плитке не более чем на 35°С. Через каждые 2 – 3°С записывают показания ЛВ , все время следя за постоянством U0. При выключенной плитке продолжают измерения до 45°С. Затем конденсатор поднимают на воздух. Нагрев свыше 50°С категорически запрещен.


4. Обработка результатов измерений


Определение

Таблица 1

, кГц

, В

, В





  1. Рассчитывают для разных частот.

  2. Рассчитывают погрешность / по обычным правилам (для =50 кГц). Класс точности ЛВ на пределах 1 – 3 В равен 4,0, на пределе 300 мB – 2,5. Находят  и сравнивают ее с разбросом для разных частот.


Зависимость от температуры

U0 =. . .; = . . . .

Таблица 2

t, C


, В



  1. Строят график зависимости (t) по данным табл. 2.

  2. По характеру графика (t) определяют тип исследуемого диэлектрика.

  3. Дополнительное задание. Проверить экспериментально справедливость тех предположений, которые позволили для расчета тока воспользоваться формулой . Для этого нужно продумать, на каких участках цепи произвести измерения U. Сравнить измеренные значения и сделать выводы.


5. Контрольные вопросы


  1. Какие существуют типы диэлектриков? Каков механизм их поляризации?

  2. Как получена расчетная формула? При каких допущениях?

  3. Что обозначают величины , , U0 ? Какими приборами они измеряются?

  4. Каково назначение осциллографа в данной работе?


ЛИТЕРАТУРА

1. Детлаф А. А., Яворский Б. М., Милковская Л. Б. Курс физики. Т. 2. – М.: Высш. школа, 1977, § 5.2, 6.1, 6.2, 6.3.


Случайные файлы

Файл
задача 77.doc
18290.rtf
150222.rtf
94662.rtf
105195.doc




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.