Вопросы и задания для контроля

Лабораторная работа 2.1 «Последовательное и параллельное соединение конденсаторов»

Теоретические основы

Основные понятия, определения и формулы

1. Проводник называется уединенным, если выполняются следующие условия: 1) влиянием на него внешних полей можно пренебречь, 2) можно считать, что его поле не вызывает перераспределения зарядов на других телах.

2. Электроемкость уединенного проводника определяется формулой: , где q – заряд уединенного проводника, а – его потенциал.

3. Конденсатор – это система из двух проводников с одинаковыми по модулю, но противоположными по знаку зарядами, форма и расположение которых таковы, что поле сосредоточено в узком зазоре между обкладками.

4. Емкость конденсатора – физическая величина, равная отношению заряда , накопленного на обкладках конденсатор, к разности потенциалов между его обкладками: = . Разность потенциалов равна напряжению между обкладками конденсатора U (поскольку конденсатор можно рассматривать как однородный участок электрической цепи).

5. Электрическая емкость плоского конденсатора .

6. Энергия заряженного конденсатора: .

7. Электроемкость батареи конденсаторов, соединенных последовательно (рис 1), определяется из соотношения: .

Рис. 2

U_N

Рис 1.

Электроемкость батареи конденсаторов, соединенных параллельно (рис 2), определяется из соотношения: .

Убедимся в справедливости последних двух выражений. Рассмотрим сперва схему последовательно соединенных конденсаторов. Пуcть на левой обкладке 1-го конденсатора будет заряд +q, тогда, вследствие явления электростатической индукции, на его правой обкладке появится равный ему по величине, но противоположный по знаку заряд –q. Проводник, соединяющий конденсаторы С₁ и С₂ останется при этом электронейтральным, т.е. на левой обкладке 2-го конденсатора локализуется заряд +q. Аналогично рассуждая, мы приходим к заключению, что заряды на всех обкладках конденсаторов равны по величине, а на правой обкладке N-го конденсатора будет заряд –q. Общая электроемкость рассматриваемой батареи конденсаторов С_общ= , электроемкость i-го конденсатора С_i= _., учитывая, что , приходим к выражению .

Рассмотрим схему (рис.2), параллельно соединенных конденсаторов. Разность потенциалов между обкладками конденcаторов одинаковы: U₁=U₂=U_N=U, заряды же обкладок отличаются. Общая электроемкость С_общ= , где q=q₁+q₂+…+q_N – суммарный заряд на обкладках конденсаторов рассматриваемой схемы. С учетом вышесказанного и соотношения С_i= , приходим к выражению .

Цель работы состоит в освоении методики определения емкости неизвестного конденсатора и экспериментального определения, используя ее, емкости двух различных конденсаторов, их емкости при а) последовательном, б) параллельном их соединении; и в последующем после этого сопоставления экспериментальных результатов с теоретическими.

Вопросы для допуска к лабораторной работе

1. Сформулируйте цель выполнения данной работы.

2. Расскажите ход выполнения работы

3. Какай проводник можно считать уединенным?

4. От чего зависит электроемкость уединенного проводника?

5. Что называется потенциалом электростатического поля?

6. Дайте определение электроемкости конденсатора.

7. В каких единицах измеряется электроемкость?

8. Нарисуйте схемы последовательного и параллельного соединений двух конденсаторов.

9. Запишите формулу, по которой можно рассчитать электроемкость батареи конденсаторов, соединенных последовательно.

10. Запишите формулу, по которой можно рассчитать электроемкость батареи конденсаров, соединенных параллельно.

Методика и порядок измерений

Рис.3

При последовательном соединении конденсаторов (рис.3) заряды на обкладках конденсаторов, как отмечалось раннее, одинаковы по величине. Поэтому справедливо соотношение: q=U₁C₁=U₂C₂, откуда, учитывая, что U₁=U – U₂, получаем . Если известна емкость одного из конденсаторов, например , то измерив напряжения U и U₂=U₀, можно определить емкость другого конденсатора : .

Измерения

1. Ознакомьтесь с принципиальной схемой лабораторной установки, проверьте правильность ее сборки (рис. 4).


Рисунок 4 — Принципиальная схема и общий вид лабораторной установки: С_о — конденсатор с известной емкостью, С_х — конденсатор с неизвестной емкостью, К — переключатель, V — вольтметр

2. На макете имеется два конденсатора с неизвестной емкостью С₁ и С₂. С помощью перемычек их можно включить поочередно в качестве С_х, соединить параллельно или последовательно и полученное соединение также включить в качестве С_х. Вам необходимо определить экспериментально емкости С₁ и С₂, а также емкости при параллельном и последовательном соединении этих конденсаторов. Для этого, собрав соответствующую схему, произведите измерения при трех различных значениях , указанных преподавателем, и заполните соответствующую таблицу.

Таблица 1 — Конденсатор С₁

№ изм.	,	,	,	,
1.
2.
3.
Среднее значение

Таблица 2 – Конденсатор С₂

№ изм.	,	,	,	,
1.
2.
3.
Среднее значение

Таблица 3 – Параллельное соединение конденсаторов С₁ и С₂

№ изм.	,	,	,	,
1.
2.
3.
Среднее значение

Таблица 4 — Последовательное соединение конденсаторов С₁ и С₂

№ изм.	,	,	,	,
1.
2.
3.
Среднее значение

3. Рассчитайте по формулам для различных соединений конденсаторов величины суммарных емкостей при параллельном и последовательном соединении конденсаторов С₁ и С₂. Величины С₁ и С₂ возьмите из таблиц 1 и 2. Заполните таблицу.

Сравнение результатов	Рассчитанная величина емкости	Экспериментально определенная величина емкости
Параллельное соединение		Среднее значение из таблицы 3
Последовательное соединение		Среднее значение из таблицы 4

4. Запишите ответ. Сформулируйте вывод (выводы) по выполненной работе.

Вопросы и задания для контроля

I уровень

1. Запишите формулу, по которой можно рассчитать электроемкость уединенного проводника.

2. Запишите формулу, по которой можно рассчитать электроемкость плоского конденсатора.

3. Какие заряды называются индуцированными?

4. В чем заключается явление электростатической индукции?

5. В чем заключается принцип электростатической защиты?

6. Чему равна напряженность электрического поля внутри заряженного проводника?

7. Отличается ли потенциалы внутри заряженного проводника и на его поверхности?

8. Как направлен вектор напряженности электрического поля вблизи внешней поверхности заряженного проводника?

9. Что является силовой характеристикой электрического поля? Дайте ее определение.

10. Сформулируйте принцип суперпозиции электрических полей.

11. Что является энергетической характеристикой электрического поля? Дайте ее определение.

12. Какие поверхности называются эквипотенциальными?

13. Дайте определение электроемкости конденсатора.

14. Чему равна общая емкость нескольких конденсаторов соединенных последовательно?

15. Чему равна общая емкость нескольких конденсаторов соединенных параллельно?

16. В каких единицах измеряется электроемкость?

17. Запишите формулу для емкости плоского конденсатора.

II уровень

18. Как выглядят силовые линии и эквипотенциальные поверхности внутри плоского конденсатора?

19. Что такое однородное электрическое поле? Является ли поле внутри плоского конденсатора однородным?

20. Объяснить, почему заряды на обкладках конденсаторов, соединенных последовательно, одинаковы по величине.

21. За счет чего можно увеличить емкость плоского конденсатора, если его геометрические размеры должны оставаться постоянными?

22. Как изменится емкость уединенного проводящего шара при переносе его из вакуума в среду с относительной диэлектрической проницаемостью ?

23. Получить формулу для расчета емкости батареи конденсаторов, соединенных параллельно.

24. Получить формулу для расчета емкости батареи конденсаторов, соединенных последовательно.

25. При каком соединении двух конденсаторов между собой их общая емкость окажется меньше емкости любого из этих конденсаторов?

26. Два последовательно соединенных конденсатора подключены к источнику постоянного напряжения с U = 12 В. Отношение емкостей конденсаторов = 3. Определить напряжение на конденсаторе емкостью С₁. [U₁= 3 В]

27. Конденсатор емкостью С₁ = 1 мкФ зарядили до напряжения U₁ = 500 В и отключили от источника. Затем к конденсатору С₁ подключили параллельно второй незаряженный конденсатор емкостью С₂ = 4 мкФ. Определить напряжение на конденсаторах после подключения. [U=100 В]

28. Два последовательно соединенных конденсатора подключены к источнику постоянного напряжения. Отношение емкостей конденсаторов = 2 . Определить отношение соответствующих энергий этих конденсаторов. [ = 0,5]

29. К предварительно заряженному и отключенному от источника плоскому конденсатору подключили параллельно второй такой же незаряженный конденсатор. Во сколько раз уменьшилась энергия первого конденсатора? [n=4]

30. Обкладки предварительно заряженного плоского конденсатора емкостью С₁ соединили с обкладками незаряженного конденсатора емкостью С₂. Определить отношение , если в результате такого соединения напряжение между обкладками конденсатора С₁ уменьшилось в 3 раза [ = 0,5]

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 416; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!