Deskový kondenzátor a jak v něm měřit pole Návody na pokusy

Transkript

1 Deskový konenzátor a jak v něm měřit pole Návoy na pokusy Tato saa pokusů je rozělena o tří samostatných experimentálních částí: 1. Experimenty s jenouchým eskovým konenzátorem 2. Intenzita elektrického pole uvnitř eskového konenzátoru 3. Elektrický potenciál uvnitř eskového konenzátoru Obecné pokyny: V první části pracujete ve vojicích (samozřejmě vzájemná pomoc a spolupráce je povolena), ve ruhé a třetí pracujete jako jena čtyřčlenná skupina. Během všech měření si ělejte poznámky a zapisujte si výsleky experimentů. V závěru laboratorních prací buete mít (jako skupina) vyhrazený čas přibližně 5 minut, abyste spolužákům (během krátké prezentace) přestavili pokusy, na kterých jste pracovali, a jaké byly vaše výsleky. Důležité: Pře tím, než začnete s přístroji pracovat, buete proškoleni v jejich používání. Sami žáný z nich sami nezapojujte o zásuvky! Po zapojení obvou, pře tím než zapnete zroj, si nechte obvo zkontrolovat!! Pomůcky (co je obré si vzít sebou na měření): Psací potřeby, papír Flashisk (na vytvořené grafy) Fotoaparát Kalkulačku Komentář: Na násleujících stranách naleznete zaání úkolů k jenotlivým pokusům, stručnou teorii a postupy, pole kterých buete prováět měření. MFF UK v Praze, Interaktivní fyzikální laboratoř (1)

2 Část 1: Experimenty s jenouchým eskovým konenzátorem Pře zahájením měření si pečlivě prostuujte celý tento návo. Úkoly: 1) Pole návou sestavte jenouchý eskový konenzátor 2) Ověřte závislost kapacity eskového konenzátoru a. na vzálenosti esek b. na velikosti esek 3) Určete permitivitu papíru a skla. Stručná teorie a princip měření Kapacita eskového konenzátoru závisí na jeho parametrech pole vztahu S C, (1) ke ε je elektrická permitivita prostřeí mezi eskami, S je účinná plocha esek a je vzálenost mezi eskami. Jenotkou kapacity je 1 fara (1 F). Pro výrobu jenouchého konenzátoru použijeme obyčejný alobal (z něj vytvoříme esky), jako ielektrikum pro jejich oělení použijeme papír, sklo, Pro měření kapacity použijeme multimetr, který tuto možnost nabízí. MFF UK v Praze, Interaktivní fyzikální laboratoř (2)

3 Postup Úkol 1 1. Otrhneme/ustřihneme vě hliníkové fólie (přibližně rozměru stránky knihy) 2. Tyto vě fólie buou tvořit esky konenzátoru 3. Vložíme je o knihy a oělíme je několika listy 4. Tím je konenzátor hotov 5. Jeho kapacitu určíme multimetrem Úkol 2a Postupně měníme počet listů (např. 10, 20, 30, ) mezi fóliemi a přitom sleujeme, jak se mění kapacita konenzátoru. Naměřené honoty si zapisujeme. Poté vyneseme graf. Vzhleem k tomu, že chceme pouze ověřit nepřímou úměru mezi kapacitou a vzáleností esek, můžeme vzálenost uávat v počtech listů. Úkol 2b Postupně zmenšujeme plochu esek (resp. jené z nich) a sleujeme, jak se mění kapacita konenzátoru. Stejně jako v úkolu 2a vyneseme závislost. Velikost esek opět nemusíme uávat v m 2, ale napříkla v ílech půvoní plochy esek. Úkol 3 Našim cílem v tomto úkolu je určit permitivitu materiálu mezi fóliemi (eskami konenzátoru). Nyní vytvoříme konenzátor tak, že mezi fólie umístíme měřený materiál, změříme parametry konenzátoru (C, S, ) a vypočteme permitivitu. MFF UK v Praze, Interaktivní fyzikální laboratoř (3)

4 Část 2. Elektrická intenzita uvnitř eskového konenzátoru Úkoly 1) Sestavte aparaturu a seznamte se s jejím fungováním. 2) Proměřte závislost elektrické intenzity uvnitř konenzátoru na napětí na eskách konenzátoru. 3) Proměřte závislost elektrické intenzity na vzálenosti esek konenzátoru. Vaše výsleky porovnejte s teoretickými přepoklay. Stručná teorie a princip měření Z teorie plyne, že intenzitu elektrického pole E uvnitř eskového konenzátoru lze určit pole vztahu ke U je napětí mezi eskami konenzátoru a je jejich vzálenost. U E, (2) Pro měření elektrické intenzity použijeme elektrometr (viz obrázek), který je zabuován o jené z esek konenzátoru. Elektrometr nemá vlastní isplej a měřené honoty převáí na napětí, které oečteme pomocí voltmetru a ále pole ané převoní tabulky přepočteme na měřenou intenzitu. Obrázek: Aparatura: 1 esky konenzátoru, 2 elektrometr, 3 voltmetr pro měření napětí mezi eskami, 4 voltmetr připojený k výstupu elektrometru - pro oečítání měřené intenzity, 5 napětí sony, 6 napěťový zroj V pro vytvořené elektrické pole. MFF UK v Praze, Interaktivní fyzikální laboratoř (4)

5 Postup Úkol 1 Pole obrázku sestavte měřicí aparaturu, nechte si ji zkontrolovat a na násleujícím příklau se seznamte s principem měření. Nastavte esky konenzátoru o vzálenosti 20 cm, přiveďte na ně napětí 150 V a určete intenzitu elektrického pole. Úkol 2 V této úloze prověřujeme vztah (2) tak, že ponecháváme konstantní, U je nezávislá proměnná a E závisle proměnná. Doporučená vzálenost esek pro toto měření je 10 cm. Napětí měníme v rozsahu V, po krocích řáově V tak, abychom získali alespoň 10 boů závislosti. Při změně napětí zaznamenáváme změnu intenzity. Práce na PC: Vyneste graf vámi změřené závislosti a pokuste se jej fitovat přímkou. Nalezněte rovnici této přímky a porovnejte ji s teoretickou rovnicí. Úkol 3 Nyní ověřte závislost E(), tak jak je ána opět vztahem (2). Při tomto měření oporučujeme nastavit napětí na konenzátoru na 200 V a postupně měnit v rozsahu 4-20 cm (s krokem 2 cm). Práce na PC: Vyneste graf vámi změřené závislosti a pokuste se jej fitovat hyperbolou. Nalezněte rovnici této hyperboly a porovnejte ji s teoretickou rovnicí. MFF UK v Praze, Interaktivní fyzikální laboratoř (5)

6 Část 3: Průběh elektrického potenciálu v nabitém eskovém konenzátoru Úkoly 1) Sestavte aparaturu a seznamte se s jejím fungováním. 2) Proměřte průběh elektrického potenciálu v konenzátoru. Vaše výsleky porovnejte s teoretickými přepoklay. Stručná teorie a princip měření V přípaě vou opačně nabitých rovnoběžných esek platí, že mezi eskami nalezneme homogenní elektrické pole s intenzitou U 2, (3) E 1 ke U je napětí mezi eskami (resp. rozíl potenciálů esek φ 1 a φ 2 ) a jejich vzálenost. V ané situaci rovněž platí, že potenciál ve vzálenosti x např. o esky s potenciálem φ 1 je U 1 x. (4) V přípaě, že je první eska uzemněná, pak je φ 1 = 0 V a vztah (4) se zjenouší na U x. (5) Pro měření elektrického potenciálu využijeme opět elektrometr, tentokrát však s připojením napěťového nástavce. Díky tomuto nástavci nyní elektrometr měří napětí mezi jeho svorkami, přičemž jenu z nich připojíme k zemi a ruhou k napěťové soně viz obrázek v části Postup. Díky plamenu, který kolem konce sony vytváří hořící propan-butan, elektrometr měří napětí právě mezi koncem napěťové sony a zemí => toto napětí opovíá elektrickému potenciálu v místě konce sony. Stejně jako při měření elektrické intenzity i ze elektrometr převáí měřenou honotu na výstupní napětí, které měříme voltmetrem a pro získání elektrického potenciálu musíme pole zvoleného rozsahu elektrometru provést přepočet. MFF UK v Praze, Interaktivní fyzikální laboratoř (6)

7 Postup Úkol 1 Pole obrázku sestavte měřící aparaturu, nechte si ji zkontrolovat a na příklau se seznamte s principem měření. Na zkoušku zkuste nastavit esky konenzátoru o vzálenosti přibližně 15 cm, přiveďte na ně napětí 200 V a přibližně ve střeu konenzátoru určete potenciál elektrického pole. (Zroj obrázku: Phywe Co.) Úkol 2 Stejné měření jako jste proveli v úkolu 1, nyní zopakujte pro různé polohy sony uvnitř konenzátoru. Doporučené nastavení: Desky konenzátoru nastavte o vzálenosti = 10 cm Potenciál měřte pro polohy sony x = 1, 2, 3, 9 cm (viz teorie) Práce na PC: Pro vámi změřenou závislost vyneste graf a naměřená ata fitujte přímkou. Nalezněte její rovnici a porovnejte ji s teoretickou. MFF UK v Praze, Interaktivní fyzikální laboratoř (7)