Визначення діелектричної проникності рідкого діелектрика

Лабораторна робота № 6

ВИЗНАЧЕННЯ ДІЕЛЕКТРІЧЕСКОЙПРОНІЦАЕМОСТІ рідких діелектриків

Мета роботи - визначення діелектричної проникності за допомогою явища втягування рідкого діелектрика всередину плоского конденсатора.

Незаряджений діелектрик, вміщений в електричне поле, поляризується. Процес поляризації неполярного діелектрика полягає в зміщенні центрів тяжіння позитивних і негативних зарядів молекули один щодо одного, т. Е. В освіті диполів. Поляризація полярного діелектрика полягає в переважної орієнтації вздовж поля вже наявних в діелектрику диполів (див. Введення роботи № 5).

Розглянемо якісно поведінку такого диполя в неоднорідному електричному полі. Нехай в напрямку осі X напруженість поля Е зростає. Графічно це зображується згущенням силових ліній (рис. 1). Сили, що діють на заряди диполя, неоднакові,, так як Е1 в тій точці, де знаходиться позитивний заряд більше, ніж Е2 в точці, де розташований негативний заряд. Отже, диполь в неоднорідному полі під дією результуючої сили переміщається в область сильнішого поля. Цим явищем, зокрема, пояснюється втягування діелектрика всередину плоского конденсатора.

2. Опис установки і методу вимірів

Розглянемо плоский конденсатор, частково занурений в рідкий діелектрик (рис. 2). Оскільки поблизу країв обкладок конденсатора є неоднорідне поле, то на диполі діють сили, вертикальні складові яких спрямовані вгору. В результаті діелектрик втягується в зазор між обкладинками конденсатора. Для знаходження результуючої вертикальної сили, з якою електричне поле діє на рідину в області неоднорідного поля конденсатора, скористаємося законом збереження і перетворення енергії. Для простоти розрахунку будемо припускати, що поверхня рідини горизонтальна (в цьому випадку відсутні капілярні явища), поле всередині конденсатора (а не у його країв) є однорідним і не впливає на зміну поверхневого натягу рідини. Так як конденсатор підключений до джерела живлення, то різниця потенціалів U між його обкладинками залишається постійною. Нехай в процесі втягування діелектрика висота H стовпа рідини між пластинами збільшується на малу величину H (рис. 2). Тоді робота А. здійснюються силами електричного поля, дорівнює

Крім того, відбувається зміна енергії електричного поля конденсатора на величину

де С1 і С2 - ємності конденсатора до і після підйому рідини на висоту H. Ємність конденсатора, частково заповненого діелектриком, можна знайти як ємність двох паралельно включених конденсаторів, один з яких - з діелектриком, інший - без нього. Ємність такої системи дорівнює

де а - ширина пластини; S - її площа; aн - площа зануреної частини пластини; d - відстань між пластинами;  - діелектрична проникність рідини. Звідси легко знайти зміна ємності

Втягування рідини в конденсатор і зміна енергії його поля відбувається за рахунок роботи джерела струму. Якщо припустити, що процес втягування йде досить повільно, то сила струму в ланцюзі настільки мала, що можна знехтувати тепловими втратами, а також вважати різницю потенціалів обкладок конденсатора дорівнює ЕРС джерела. Тоді на підставі рівняння енергетичного балансу запишемо

а роботу, зроблену джерелом струму, знайдемо за формулою

де - додатковий заряд, що перетікає на пластини конденсатора в міру його заповнення діелектриком (в даному випадку на висоту H).

З рівнянь (2), (4) і (5) визначимо роботу сил поля

або, враховуючи формулу (3), отримаємо

З іншого боку, за формулою (1) A = f H. звідси шукана сила буде дорівнює

Стан рівноваги рідини настане, коли буде виконана умова f = mg. Якщо виразити масу m втягнутого стовпа рідини через її щільність  і обсяг V = adh. то отримаємо f = padhg. У цьому виразі h - остаточна висота, на яку піднялася рідина під дією поля при даному U (при виведенні розрахункової формули під H малося на увазі мале збільшення висоти). Підставивши дане значення сили в формулу (8), знайдемо остаточний вираз для розрахунку діелектричної проникності рідини

У скляну кювету К. заповненою рідким діелектриком, опущені дві паралельні пластини, до яких підводиться напруга * ( Змінна напруга, яке використовують в роботі, не впливає на справедливість розрахункової формули (7), так як при низькій частоті поляризація діелектрика встигає слідувати за полем .) від трансформатора

(Рис. 3). Змінюють напругу за допомогою ЛАТР (Л) (автотрансформатора), який разом з трансформатором (Тр) знаходиться всередині кожуха установки. Регулювання напруги виробляють поворотом ручки, виведеної на передню панель корпусу. Вимірюють напругу на пластинах З кіловольтметри (кВ). Зміна рівня рідини і відстань між пластинами визначаються вимірювальним мікроскопом М. В поле зору вимірювального мікроскопа поміщена шкала, орієнтацію якої можна змінювати. Для визначення відстані між пластинами шкалу розташовують горизонтально; для визначення зміни рівня рідини при включенні напруги шкалу розташовують вертикально. При вимірах слід мати на увазі, що зображення, що дається окуляром, перевернуте.

3. Порядок виконання роботи

Вимірюють відстань d між пластинами. Для цього шкалу мікроскопа розташовують горизонтально.

Встановлюють шкалу мікроскопа вертикально і відзначають рівень рідини h1 між пластинами під час відсутності напруги (ручка ЛАТРа в положенні «0»).

Поворотом ручки встановлюють необхідну напругу (600 - 700 В). Вимірюють рівень рідини h2 при цьому напрузі.

Повторюють вимірювання h2 при інших значеннях напруги. Всього 5 - 7 вимірювань в інтервалі від 600 до 1500 В.

4. Обробка результатів вимірювань

Розраховують  для кожного значення U за формулою

Знаходять похибка  для найбільшого значення U. Рекомендується спочатку вивести формулу відносної похибки вираження ( - 1) і розрахувати її. Похибки h1. h2. d і U рівні приладовим. Оскільки, то звідси звичайним способом визначають  і записують остаточний результат.

5. Контрольні питання

Пояснити причину втягування діелектрика всередину конденсатора.

Як змінюються ємність і заряд конденсатора із втягуванням рідини?

Вивести розрахункову формулу.

Які величини безпосередньо вимірюються в роботі, якими приладами?

1. Детлаф А. А. Яворський Б. М. Мілковская Л. Б. Курс фізики. Т. 2. - М. Вища. школа, 1977, § 6.1, 6.2, 6.3.

Схожі документи:

кабелю і плоского конденсатора. 5. Вивчення діелектричних властивостей рідин. 6 Определеніедіелектріческойпроніцаемостіжідкогодіелектріка. 7. Вивчення електрорушійної сили методом.

Якою має бути діелектріческаяпроніцаемостьжідкогодіелектріка. щоб при зануренні. математичний вираз служить для визначення магнітного потоку, що пронизує. Б. Ослаблення світла. B. Певної відповіді дати не можна. Г. Інтенсивність.

при найменуванні діелектріческойпроніцаемості. опускається. Определеніедіелектріческойпроніцаемості можна. 2 - рідке. 3 - газоподібне Діелектріческаяпроніцаемость неполярних діелектриків близька до квадрату променезаломлення діелектрика (слідство.

конденсатора? Чим відрізняється визначення ємності відокремленого провідника від визначення ємності конденсатора. до різниці потенціалів U. Конденсатори заповнені жідкімдіелектріком з діелектріческойпроніцаемостью ε. Як зміниться різниця потенціалів.

Діелектрична проникність. Основні рівняння електростатики діелектриків. Граничні умови на поверхні розділу «діелектрик -діелектрік». Види діелектриків. діелектріческуюпроніцаемостьжідкого. згідно з визначенням індуктивності.