Лабораторная работа "Определение максимальной электроемкости воздушного конденсатора переменной емкости "

Лабораторная работа № 5

Определение максимальной электроемкости воздушного конденсатора

переменной емкости

Цель работы: изучить метод определения электрической емкости воздушного конденсатора переменной емкости по его геометрическим размерам; выяснить от чего зависит электроемкость плоского воздушного конденсатора.

Оборудование: воздушный конденсатор, штангенциркуль, линейка.

Пояснения к работе

Конденсатором называют систему двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские параллельные металлические пластины, разделенные слоем диэлектрика (в частности воздуха), образуют плоский воздушный конденсатор. В качестве диэлектрика в конденсаторах используются органические и неорганические материалы, в том числе оксидные пленки некоторых металлов.

Переменный конденсатор (конденсатор переменной ёмкости, КПЕ) — конденсатор, электрическая ёмкость которого может изменяться механическим способом, либо электрически, под действием изменения напряжения, либо при изменении температуры. Переменные конденсаторы обычно применяются в колебательных контурах для изменения их резонансной частоты — например, во входных цепях радиоприёмников, в усилительных каскадах и генераторах высокой частоты, антенных устройствах. Емкость переменных конденсаторов обычно изменяется в пределах от единиц до нескольких десятков или сотен пикофарад.

Механические конденсаторы переменной емкости бывают: с воздушным диэлектриком; с твёрдым диэлектриком; вакуумные.

На электрической схеме конденсатор переменной емкости обозначается так:

Воздушный конденсатор переменной емкости можно представить как систему параллельно соединенных конденсаторов, число которых на единицу меньше числа пластин. Электроемкость такой системы можно вычислить по формуле:

,                                                         (1)

где  С – электроемкость конденсатора (Ф);

       S – площадь каждой пластины конденсатора (м²);

       ε – диэлектрическая проницаемость среды (для воздуха  ε = 1);

       ε₀ – электрическая постоянная, равная 8,85·10^-12  Ф/м;

       d – расстояние между соседними пластинами (м).

Общепринятой международной единицей измерения емкости является фарада (Ф). За единицу емкости в международной системе СИ принимают емкость такого конденсатора, у которого потенциал возрастает на один вольт при сообщении ему заряда один кулон (Кл). Однако фарада как единица емкости очень велика и для практических целей мало пригодна. Поэтому емкость конденсаторов обычно измеряется в производных величинах — в микрофарадах (мкФ) при относительно большом значении емкости (1 Ф = 10⁶ мкФ) и в пикофарадах (пФ) — при малом (1 мкФ =10⁶ пФ).

Ход работы

1. Подготовьте конденсатор переменной емкости к работе. Раздвиньте пластины конденсатора таким образом, чтобы их форма была круглой.

2. Измерьте штангенциркулем диаметр одной платины D и вычислите её площадь по формуле    .

3. Подсчитайте число пластин n.

4. Измерьте зазор между двумя соседними пластинами штангенциркулем, затем измерьте остальные зазоры и вычислите среднее расстояние между пластинами по формуле  , где k – число измерений.

5. Вычислите электроемкость воздушного конденсатора переменной емкости по формуле  .

6. Оцените погрешность проведенных измерений по формуле и выразите ее в процентах:    ,   где ΔD  =Δd = 0,15 мм.

7. Измените емкость конденсатора. Для этого задвиньте его пластины таким образом, чтобы их форма стала полукруглой. При этом зазор между пластинами и их площадь уменьшатся.

8. Рассчитайте электроемкость нового конденсатора, повторив работу п.2 - п.6.

9. Сравните полученные значения электроемкости конденсатора переменной емкости. Как изменилась электроемкость конденсатора? Почему?

10. Результаты измерений и вычислений запишите в рабочую таблицу.

№ опыта	Диаметр пластины D, м	Площадь пластины, S, м2	Число пластин, n	Среднее расстояние между пластинами, dср, м	Электроемкость конденсатора, С, Ф	Относительная погрешность, εс, %
1
2

11. Сформулируйте и запишите вывод о зависимости электроемкости конденсатора от его геометрических размеров.

Контрольные вопросы

 Предложите способ определения электроемкости воздушного конденсатора переменной ёмкости с помощью электроизмерительных приборов.