50129

Исследование процессов накопления и релаксации заряда в диэлектрических материалах

Лабораторная работа

Физика

Определение постоянной времени RCцепи. Даже если цепь не содержит конденсаторов всегда присутствует электрическая емкость изоляции и в ней возникают токи смещения обусловленные изменением электрического поля во времени. В цепях постоянного тока распределение электрических зарядов на проводниках и токов на участках цепи стационарно то есть неизменно во времени. Если на какомто участке цепи происходят изменения силы тока или напряжения то другие участки цепи могут почувствовать эти изменения только через некоторое время которое по...

Русский

2014-01-16

1.32 MB

63 чел.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)

Кафедра Общей и технической физики

(лаборатория электромагнетизма)

Исследование процессов накопления и релаксации заряда в диэлектрических материалах

Методические указания к лабораторной работе № 11

для студентов всех специальностей

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009

УДК 531/534 (075.83)

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ: Лабораторный практикум курса общей физики. Пщелко Н.С. / Санкт-Петербургский горный институт.  С-Пб, 2009, 21 с.

Лабораторный практикум курса общей физики по электричеству и магнетизму предназначен для студентов всех специальностей Санкт-Петербургского горного института.

С помощью учебного пособия студент имеет возможность, в предварительном плане, ознакомиться с физическими явлениями, методикой выполнения лабораторного исследования и правилами оформления лабораторных работ.

Выполнение лабораторных работ практикума проводится студентом индивидуально по графику.

Табл. 4. Ил. 5. Библиогр.: 5 назв.

Научный редактор доц. Н.С. Пщелко

©   Санкт-Петербургский горный институт   им. Г.В. Плеханова, 2009 г.

Цель работы: 1. Определение постоянной времени RC-цепи. 2. Определение входного сопротивления вольтметра путем измерения разрядных характеристик конденсатора. 3. Оценка величины заряда, не связанного с поляризацией  диэлектрика в  конденсаторе.

Теоретические основы лабораторной работы

В любой реальной электрической цепи при ее включении и выключении происходят переходные процессы. Даже если цепь не содержит конденсаторов, всегда присутствует электрическая емкость изоляции и в ней возникают токи смещения, обусловленные изменением электрического поля во времени. Эти токи должны обязательно учитываться при проектировании цепей, в противном случае возможен выход из строя, как элементов схемы, так и электрооборудования в целом. В современных электронных устройствах в этой связи часто применяется так называемый «мягкий» запуск при включении устройств, позволяющий минимизировать отрицательное влияние рассматриваемых переходных процессов. Таким образом, переходные процессы в электрических схемах играют важное значение. Это обуславливает актуальность изучения явлений, рассматриваемых в данной работе.

В цепях постоянного тока распределение электрических зарядов на проводниках и токов на участках цепи стационарно, то есть неизменно во времени. Электромагнитное поле в таких цепях состоит из электростатического поля неподвижных зарядов и магнитного поля постоянных токов. Эти поля существуют независимо друг от друга.

Если на каком-то участке цепи происходят изменения силы тока или напряжения, то другие участки цепи могут «почувствовать» эти изменения только через некоторое время, которое по порядку величины равно времени τ распространения электромагнитного возмущения от одной точки цепи к другой. Так как электромагнитные возмущения распространяются с конечной скоростью, равной скорости света  c, то , где l – расстояние между наиболее удаленными точками цепи. Если это время τ много меньше длительности процессов, происходящих в цепи, то можно считать, что в каждый момент времени сила тока одинакова во всех последовательно соединенных участках цепи. Процессы такого рода в электрических цепях называются квазистационарными.

Квазистационарные процессы можно исследовать с помощью законов постоянного тока, если применять эти законы к мгновенным значениям сил токов и напряжений на  участках цепи.

Из-за огромного значения скорости света время установления электрического равновесия в цепи оказывается весьма малым. Поэтому к квазистационарным можно отнести многие достаточно быстрые в обычном смысле процессы. Например, быстрые колебания в радиотехнических цепях с частотами порядка миллиона колебаний в секунду и даже выше очень часто еще можно рассматривать как квазистационарные.

Процессы, протекающие во времени в цепях обычно являются медленными в рассматриваемом смысле. В данной работе рассматривается процесс накопления заряда на конденсаторе С (т.е. его зарядка от источника напряжения) и релаксация этого заряда (т.е. разряд конденсатора) в цепи сопротивлением R. Ниже будет показано, что при разумных значениях емкости и сопротивления данный процесс можно считать квазистационарным.

Рассмотрим процессы зарядки и разрядки конденсатора. Пусть конденсатор емкостью С включен в схему, показанную на рис. 1. Тогда, установив переключатель К в положение 1, мы будем заряжать конденсатор, а в положении 2 – разряжать конденсатор.

Рассмотрим вначале процесс заряда. Обозначим U0 – э.д.с. источника питания, R – сопротивление цепи (внутренним сопротивлением источника пренебрегаем, либо включаем его в значение R), и выберем положительное направление тока как показано на рис. 1. Применяя к зарядному контуру второе правило Кирхгофа, получим

,        (1)

где  I – мгновенное значение силы тока в цепи, Uc – мгновенное значение напряжения на конденсаторе. Но

,    (2)

,    (3)

где q – заряд конденсатора, t – время, прошедшее с момента начала заряда, т.е. с момента включения ключа. По физической природе ток через конденсатор является током смещения, связанным с изменением во времени его заряда и напряженности электрического поля в нем. Такой же по величине ток течет и через резистор, но его природа другая – это ток проводимости.

Из (1) – (3) получается дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами для нахождения  Uc

.   (4)

В этом уравнении переменные можно разделить, и в результате интегрирования уравнения с учетом начального условия

при    t = 0  Uc = 0        (5)

находим:

  (6)

При t = 0 это выражение дает Uc = 0 в соответствии с начальным условием. При увеличении времени напряжение на конденсаторе непрерывно увеличивается и асимптотически приближается к э.д.с. U0 источника.

Зависимость зарядного тока от времени в соответствии с законом Ома имеет вид:

.      (7)

Таким образом, зарядный ток максимален в начальный момент времени и асимптотически стремится к нулю в процессе зарядки.

В случае разряда конденсатора исходные уравнения будут иметь вид

,    (8)

,    (9)

.              (10)

В отличие от предыдущего, в выражение для тока (10) входит знак минус, т.к. выбранное нами положительное направление тока соответствует уменьшению заряда конденсатора.

Исключая из (8) – (10) q и I, получим дифференциальное уравнение

.    (12)

Если непосредственно перед разрядом на конденсаторе было начальное напряжение Uнач, то, с учетом начального условия

при    t = 0    Uc = Uнач          (13)

интегрированием уравнения (12) получим зависимость напряжения на конденсаторе от времени в процессе его разряда:

.         (14)

Разрядный ток в соответствии с законом Ома при этом

.  (15)

Таким образом, разрядный ток максимален в начальный момент времени и асимптотически стремится к нулю в процессе разрядки.

Качественно процесс зарядки и разрядки конденсатора во времени показан на рис. 2.

Рис. 2. Зарядка (I) конденсатора от источника э.д.с. и его  разрядка (II) через резистор.

Полученные результаты показывают, что процессы накопления заряда в диэлектрике (заряд конденсатора) и релаксации заряда (разряд конденсатора) происходят не мгновенно, а с конечной быстротой. В рассмотренном случае RC  цепи быстрота этих процессов зависит, как видно из (6) и (14), от произведения

,         (16)

которое имеет размерность времени и называется постоянной времени RC  цепи. Как видно из (14), постоянная времени показывает, через какое время после начала разряда напряжение на конденсаторе уменьшается в е = 2,72 раз. Принято считать в соответствии с (6) и (14), что процесс заряда и разряда емкости, практически, полностью заканчивается за время  .

Поскольку реально используемые емкости могут иметь небольшой номинал, например, С = 100 пФ = 10-10 Ф, на основе разрядной характеристики возможно измерение больших сопротивлений и измерение малых токов утечки (с помощью доступных приборов это не всегда можно сделать): измеряя процесс разрядки известной емкости через неизвестное высокоомное сопротивление и определяя постоянную времени, легко рассчитать это сопротивление. Действительно, из (16) видно, что при = 100 с и С = 100 пФ будем иметь R = 1012 Ом. Столь большое сопротивление измерить, например, обычным омметром невозможно, а измерение интервала времени 100 с не представляет труда и может быть осуществлено с большой точностью. Для того чтобы исключить необходимость измерения начального напряжения на конденсаторе при реализации рассматриваемого способа, измерения производят по следующей методике. На основе (14) при разрядке известной емкости С через определяемое сопротивление R, можно записать

,       (17)

,      (18)

где  и  – измеряемые значения напряжения на конденсаторе в моменты времени t1 и t2 соответственно. Производя деление (17) на (18), после преобразований получим:

,        (19)

где  – интервал времени между измерениями напряжений  и  на емкости в процессе ее разрядки. При использовании (19) нет необходимости в измерении Uнач и точной фиксации момента начала разряда.

В «классическом» диэлектрике накопление заряда обусловлено поляризацией диэлектрика во внешнем электрическом поле: положительные концы молекул под действием электростатических сил, создаваемых внешним электрическим полем, поворачиваются к отрицательному электроду, отрицательные концы молекул – к положительному электроду. При этом у электродов в диэлектрике образуется поляризационный заряд по знаку противоположный знаку заряда прилегающего электрода. Поэтому заряд этого типа в диэлектрике называется гетерозарядом (рис. 3).

    

Рис. 3.  Схематический разрез диэлектрика с нижней металлизированной поверхностью

1 – диэлектрик, 2 – слой металлизации, 3 – осажденные на поверхности заряды, 4 – инжектированные заряды (гомозаряды), 5 – поляризационные заряды (гетерозаряды), 6 – компенсационные (индуктированные) заряды

Однако, в ряде случаев в диэлектрик из прилегающего электрода могут быть инжектированы («впрыснуты») заряды того же знака, что и заряд этого электрода. Такие заряды закрепляются на так называемых ловушках, например, дефектах структуры диэлектрика, и могут там длительно сохраняться. Такого типа заряды в диэлектрике, имеющие тот же знак, что и прилегающий электрод, называются гомозарядами. В диэлектрике могут накапливаться и другие виды зарядов – осажденные (не закрепленные на глубоких ловушках), миграционные (связанные, например, с движением под действием электрического поля слабозакрепленных ионов в диэлектрике) и др. Накопление и релаксация этих зарядов, а также наличие у реальных диэлектриков отличной от нуля сквозной проводимости приводят к тому, что процессы зарядки и разрядки могут несколько отличаться от рассчитанных выше. Более того, как раз экспериментально выявляя эти отличия, можно судить, например, о наличии трещин в диэлектрике (в этом случае доля миграционного заряда будет велика – движущиеся ионы «застрянут» на трещине), исследовать состояние поверхности диэлектрика (при наличии большого числа ловушек на поверхности будет велика доля поверхностного гомозаряда и высока его временная стабильность), производить контроль параметров и другие измерения неразрушающим способом.

В обычных ситуациях в диэлектриках преобладает гетерозаряд. Однако, в случае слабой поляризации (например, в неполярных полимерах) и под влиянием специфических воздействий (например, под действием коронного разряда) величина гомозаряда может оказаться больше величины гетерозаряда. Поскольку гомозаряд, в отличие от гетерозаряда, быстро не исчезает при выключении внешнего поля, в этом случае получим заряженный диэлектрик – электрет. Именно гомозаряд определяет долговременную стабильность заряда электрета, а не его поляризация, как это часто ошибочно указывается в литературе. Электреты были открыты в 1919 г. японским физиком Егути. Электретный эффект – это термодинамически неравновесное локальное нарушение электронейтральности в диэлектрике, длительно сохраняющееся после его электризации. Соответственно электретами называются материалы, способные длительно (десятилетиями) сохранять избыточный электрический заряд, создавая вокруг себя электрическое поле, которое может быть использовано для различных технических приложений. Электрет в некотором смысле является электростатическим аналогом постоянного магнита. Электретное состояние в той или иной степени присуще всем диэлектрикам, однако реально стабильные электреты получаются из ограниченного круга материалов. На основе электретов разработаны газовые фильтры, радиационные дозиметры, релейные переключатели, маломощные электретные двигатели и генераторы, электростатические линзы, устройства индикации, бесконтактная клавиатура, акустические излучатели и другие преобразователи. Наибольшее распространение получило использование электретов при изготовлении микрофонов – около 95% выпускаемых в мире микрофонов являются электретными. В настоящее время использование электретного эффекта уже вышло за рамки чисто технических применений – электреты используются в биологии и медицине, например, при изготовлении элементов протезирования.

Экспериментально наличие гомозаряда в диэлектрике можно обнаружить следующим образом. Достаточно на короткое время (единицы секунд) закоротить обкладки конденсатора, чтобы его заряд, обусловленный ориентационной поляризацией полностью исчез. Действительно, время релаксации ориентационных видов поляризации обычно составляет по порядку величины 10-8 с. Сопротивление закорачивающего проводника по порядку величины составляет 0,01 Ом. Поэтому в соответствии с (14), например, при t = 5 с и емкости С = 200 мкФ = 2∙10-4 Ф остаточное напряжение на конденсаторе Uc будет, практически, равно нулю. Доступными вычислительными средствами даже не всегда удается рассчитать это пренебрежимо малое значение. Однако эксперимент показывает, что после закорачивания конденсатор способен при разрядке давать некоторый ток и на нем есть небольшое напряжение. Более того, это напряжение может в течение некоторого времени возрастать, что находится в очевидном противоречии с формулой (14). Это свидетельствует о наличии в диэлектрике конденсатора зарядов других видов, отличных от поляризационных. Как правило, наибольшую роль среди этих медленно релаксирующих зарядов играют инжектированный гомозаряд и миграционный гетерозаряд.

Время релаксации гомозаряда значительно превышает время релаксации гетерозаряда. Однако и гомозаряд с течением времени уменьшается. Под влиянием внешних воздействий, например, окружающей температуры, гомозаряд «выбрасывается» с ловушек, обеспечивая во внешней цепи небольшой ток (так называемый термостимулираванный ток – ТСТ). При повышении температуры по мере опустошения ловушек, с течением времени, очевидно, этот ток будет уменьшаться – все гомозаряды покинут диэлектрик. Таким образом, кривые ТСТ имеют максимумы. Анализируя кривые ТСТ, можно судить об энергетическом спектре ловушек в диэлектрике и исследовать другие его характеристики.

Порядок выполнения эксперимента

1. Измерение зарядной кривой конденсатора

1.1. Проверить монтаж схемы в соответствии с рис. 4.

Рис. 4. Электрическая схема лабораторной установки

1.2. Включить источник питания и мультиметр в режиме вольтметра на предел измерений 20 V. Установить регулятор максимально допустимой силы тока (А) выходного сигнала в среднее положение (приблизительно 1 А), а регулятор напряжения (V) повернуть до упора по часовой стрелке. В этом положении напряжение на источнике U0 = 12,1 В.

1.3. Переключатель поставить в положение «Разряд». Убедиться, что конденсатор полностью разряжен, для чего на на 10–15 с закоротить его коротким проводником, рис. 5, т.е. в коммутационном блоке соединить коротким проводником (перемычкой) оба контакта конденсатора. Восстановить электрическую схему в соответствии с рис. 4, отсоединив от конденсатора один из концов закорачивающего проводника.

Рис. 5. Закорачивание конденсатора проводником

1.4. Приготовить секундомер к измерениям (обнулить его показания). Одновременно с переводом переключателя в положение «Заряд» включить секундомер. Записать в таблицу 1 значения изменяющегося напряжения Uc на конденсаторе в соответствующие моменты времени t. Измерения производить через неравные промежутки времени: в начале заряда напряжение растет быстро, поэтому измерения надо делать по возможности часто. По мере приближения Uc к значению U0 измерения делать реже. Измерения желательно производить через такие промежутки времени, в течение которых напряжение изменяется приблизительно на 0,1 U0.

При длительном бездействии мультиметр автоматически выключается, поэтому в случае, если его дисплей погас, необходимо  заново включить мультиметр.

Таблица 1.    Зависимость напряжения на конденсаторе от времени его заряда

U0 =........,       С = .......,     R = .......

t, с

Uc,  В

Uc теор, В

2. Измерение разрядной кривой конденсатора

2.1. Дождаться момента, когда напряжение на конденсаторе, практически перестанет изменяться. Это значит, что конденсатор заряжен.

2.2. Приготовить секундомер к измерениям (обнулить его показания). Одновременно с переводом переключателя в положение «Разряд» включить секундомер. Записать в таблицу 2 значения изменяющегося напряжения Uc на конденсаторе в соответствующие моменты времени t. Измерения производить через неравные промежутки времени: в начале разряда напряжение падает относительно быстро, поэтому измерения надо делать относительно часто. По мере приближения Uc  к нулевому значению измерения делать реже. Измерения желательно производить через такие промежутки времени, в течение которых напряжение изменяется приблизительно на 0,1 Uнач.

Таблица 2.    Зависимость напряжения на конденсаторе от времени его разряда

Uнач =........,       С = .......,     R = .......

t, с

Uc,  В

Uc теор, В

2.3. По указанию преподавателя повторить измерения зарядной и разрядной кривых при других значениях емкости конденсатора и сопротивления резистора, занося данные в таблицы, аналогичные таблицам 1 и 2. Записать рядом с таблицами значения емкостей и сопротивлений, использованных в экспериментах.

3. Измерение сопротивления  вольтметра по разрядной кривой конденсатора

3.1. Перевести переключатель в положение «Заряд» и дождаться момента, когда конденсатор зарядится до некоторого напряжения Uнач, близкого к U0. Для ускорения зарядки вместо используемого в схеме высокоомного резистора включить резистор меньшего номинала, например 1 кОм. При достижении показаний вольтметра близких к U0 вернуть в схему замененный высокоомный резистор.

3.2. Приготовить секундомер к измерениям (обнулить его показания). Одновременно с включением секундомера вынуть один из проводов, подключенных к источнику питания, из клеммы источника питания. Переключатель в положение «Разряд» не включать! Цепь окажется разомкнутой и конденсатор начнет медленно разряжаться только через большое входное сопротивление вольтметра. Записать в таблицу 3 значения изменяющегося напряжения Uc на конденсаторе в соответствующие моменты времени t. Измерения производить через неравные промежутки времени: в начале разряда напряжение падает относительно быстро, поэтому измерения надо делать относительно часто. При уменьшении Uc  измерения делать реже. Измерения желательно производить как можно точнее и через такие промежутки времени, в течение которых напряжение изменяется не менее, чем на 0,1 В. Полное время измерений  приблизительно 15–20 минут.

Таблица 3.  Зависимость напряжения на конденсаторе от времени его разряда через искомое входное сопротивление вольтметра Rв

Uнач* =........,      С = .......   

№ измерения

1

2

3

4

5

6

t, с

Uc,  В

Пара номеров измерений, выбранная для рассчета

1 и 5

3 и 7

2 и 8

Rв,  МОм

* Значение  Uнач   указано для справки и в расчетах не используется

4. Наблюдение релаксации инжектированного и миграционного зарядов

4.1. Повторить п. 3.1.

4.2. Приготовить секундомер к измерениям (обнулить его показания).

4.3. Вынуть один из проводов, подключенных к источнику, из клеммы источника питания. Цепь окажется разомкнутой и конденсатор начнет медленно разряжаться только через большое входное сопротивление вольтметра.

4.4. Закоротить  проводом конденсатор приблизительно на 5–10 с (рис. 5), после чего отсоединить от него один из концов закорачивающего проводника. Указанного времени достаточно для того, чтобы поляризационный заряд конденсатора практически полностью релаксировал и конденсатор быстро разрядился.

4.5. Сразу после разрядки конденсатора путем его закорачивания установить на мультиметре наиболее чувствительный предел для измерения напряжения 200 mV. Перевести переключатель в положение «Разряд» и одновременно включить секундомер.

4.6. Записать в таблицу 4 значения изменяющегося напряжения Uc на конденсаторе в соответствующие моменты времени t, прошедшие после разрядки конденсатора путем его закорачивания. Если в процессе роста напряжения его значение превысит 200 мВ, перейти на более грубый предел измерений на мультиметре. Измерения производить через такие промежутки времени, в течение которых напряжение изменяется приблизительно на 10 – 20 % в сравнении со своим предыдущим значением. Измерения проводить в течение такого времени пока напряжение на конденсаторе, пройдя максимум, ни уменьшиться до пренебрежимо малых значений.

Таблица 4.  Зависимость напряжения на конденсаторе от времени  после его разряда закорачиванием

U0 =....... ,    С = .......,   R = .......  

t,  с

Uc,   мВ

I,  нА

Обработка результатов измерений

1.  Заполнить таблицы 1 и 2, используя для расчета теоретического значения напряжения на конденсаторе формулы (6) и (14) соответственно.

2.  По данным таблиц 1 и 2 на одном координатном поле (в одних координатных осях) построить зарядные и разрядные кривые конденсатора, т.е. зависимости Uc(t). Должны быть показаны четыре зависимости – две теоретических (с использованием (6) и (14)) и две экспериментальных. Кривые обозначить и указать их названия в подписи к рисунку. Из экспериментальной разрядной кривой конденсатора определить экспериментальное значение постоянной времени RC–цепи  как момент времени, соответствующий уменьшению напряжения на конденсаторе в е = 2,72 раз по сравнению с начальным значением. Сравнить полученное значение с теоретическим значением постоянной времени , рассчитываемому по (16). Результаты записать рядом с таблицей 2:  =…  ,=…

3.  Используя формулу (19), заполнить таблицу 3. Для расчета сопротивления вольтметра Rв в качестве моментов времени t1 и t2 использовать моменты времени, соответствующие различным номерам измерений, например, такие пары как №1 и №5, №3 и №7, №2 и №8 и т.д. Для расчета выбирать такие пары измерений, для которых напряжения Uc отличаются существенно. По полученным данным рассчитать сопротивления вольтметра Rв и среднее значение сопротивления вольтметра Rв.ср (как среднее арифметическое из полученных значений) и указать его значение рядом с таблицей 3: Rв.ср=

4.  По данным таблицы 4 рассчитать ток разряда конденсатора во внешней цепи за счет зарядов, не связанных с поляризацией диэлектрика конденсатора. Для этого воспользоваться формулой закона Ома, которая в данном случае имеет вид;

,     (20)

где R – значение сопротивления резистора, использованного при заполнении таблицы 4. Построить графическую зависимость рассчитанного тока от времени I(t). По полученной кривой оценить величину заряда Qост, оставшегося в диэлектрике после исчезновения поляризационного заряда. При известной зависимости I(t) за очень большое время наблюдения заряд находится ее интегрированием:

.      (21)

Реально время наблюдения было не бесконечным, но поскольку при достаточно большом времени наблюдения ток уменьшается, практически, до нуля, в качестве верхнего предела интеграла в (21) можно рассматривать полное время наблюдения разрядки из таблицы 4. Для определения Qост использовать метод графического интегрирования (известно, что геометрически значение определенного интеграла соответствует площади под кривой интегрируемой функции). Для этого подсчитать площадь S под кривой I(t) на графике в см2. Пусть, например, эта площадь оказалась равна 52 см2. Определить какой заряд соответствует площади 1 см2: например, если по оси токов в 1 см отложено I= 20 нА/см, а по оси времени 1 см соответствует время t1 = 10 с/см, то, очевидно, 1 см2 площади рисунка соответствует заряду Q1 = 20∙10-9 А/см10 с/см = 2∙10-7 Кл/см2. Тогда, очевидно, в этом примере искомый заряд будет Qост = 52 см2∙2∙10-7 Кл/см2 = 1,04∙10-5 Кл. Таким образом, определить Qост можно по формуле

,     (22)

где S площадь под графиком  I(t), а I1 и t1 –масштабы по осям тока и времени соответственно. Значения S , I1,  t1  и Qост указать рядом с таблицей 4:   S =....... ,   I1=......... ,     t1=........ Qост=........

5.  Рассчитать полный заряд заряженного конденсатора по формуле

.    (23)

Сравнив рассчитанное значение Q со значением Qост, сделать вывод о соотношении этих зарядов в диэлектриках, используемых в конденсаторостроении.

Содержание отчёта

Отчёт оформляется в печатном виде на листах формата А4 в соответствии с требованиями, предъявляемыми кафедрой ОТФ, в котором помимо стандартного титульного листа должны быть раскрыты следующие пункты:

  1.  Цель работы.
  2.  Краткое теоретическое содержание:

Явление, изучаемое в работе.

Определение основных физических понятий, объектов, процессов и величин.

Законы и соотношения, описывающие изучаемые процессы, на основании которых получены расчётные формулы.

Пояснения к физическим величинам.

  1.  Электрическая схема.
  2.  Расчётные формулы.
  3.  Формулы погрешностей косвенных измерений.
  4.  Таблицы с результатами измерений и вычислений.

(Таблицы должны быть пронумерованы и иметь название. Единицы измерения физических величин должны быть указаны в отдельной строке.)

  1.  Пример вычисления (для одного опыта):
  2.  Исходные данные.
  3.  Вычисления.
  4.  Окончательный результат.
  5.  Графический материал:
  6.  Аналитическое выражение функциональной зависимости, которую необходимо построить.
  7.  На осях координат указать масштаб, физические величины и единицы измерения.
  8.  На координатной плоскости должны быть нанесены экспериментальные точки.
  9.  По результатам эксперимента, представленным на координатной плоскости, провести плавную линию, аппроксимирующую функциональную теоретическую зависимость в соответствии с методом наименьших квадратов.
  10.  Анализ полученного результата. Выводы.

Контрольные вопросы

  1.  Какие процессы в электрических цепях можно считать квазистационарными?
  2.  Между обкладками конденсатора находится диэлектрик, имеющий бесконечно большое сопротивление. Почему же при подключении его к источнику напряжения возможно протекание значительного тока по цепи?
  3.  Что называется постоянной времени RC – цепи?
  4.  Как можно использовать переходные процессы в RC-цепи для измерения сопротивлений и емкостей?
  5.  Какие виды электрических зарядов могут накапливаться и релаксировать в реальных диэлектриках?
  6.  Что такое электрет? Какой вид зарядов определяет долговременную стабильность электретного состояния?
  7.  Что называется термостимулированным током? Какова его физическая природа? Для чего он может быть использован?
  8.  По каким причинам при заряде конденсатора в данной лабораторной работе напряжение на нем по данным измерений даже при длительной выдержке оказывалось меньше напряжения источника питания?


библиографический список

учебной литературы

  1.  Калашников Н.П. Основы физики. М.: Дрофа, 2004. Т. 1
  2.  Савельев И.В. Курс физики. М.: Наука, 1998. Т. 2.
  3.  Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000.
  4.  Иродов И.Е  Электромагнетизм. М.: Бином, 2006.
  5.  Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1998.

Рис. 1. Цепи зарядки и разрядки конденсатора через резистор

еремычка

0

t

 = RC

II

I

Uнач /e

U0

Uнач

Uc(t)

K

U0


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10605. Метод конечных элементов. Прямое построение глобальной матрицы жесткости 124.5 KB
  Метод конечных элементов Прямое построение глобальной матрицы жесткости Метод построения глобальной матрицы жесткости весьма неэффективен при использовании цифровой вычислительной машины. Эта неэффективность объясняется тем что матрица жесткости отдельного эл...
10606. Решение МКЭ тепловой задачи для цилиндра. Алгоритм расчета 635.5 KB
  Решение МКЭ тепловой задачи для цилиндра. Алгоритм расчета Математическая модель линейной задачи теплопроводности с внутренним тепловыделением в цилиндрических координатах имеет вид: 1 с граничными условиями:
10607. Электродуговой нагрев. Общие положения. Постановка тепловой задачи. Методы решения. Устойчивость дуги 292.5 KB
  Электродуговой нагрев. Общие положения. Постановка тепловой задачи. Методы решения. Устойчивость дуги Электрическая дуга представляет собой один из видов электрических разрядов в газах при котором наблюдается прохождение электрического тока через газовый промежут...
10608. Электроэрозионная обработка материалов. Теория электротепловых процессов 79.5 KB
  Электроэрозионная обработка материалов. Теория электротепловых процессов Производительность и точность электроискровой обработки чистота обработанной поверхности определяются многими факторами. Важнейшими из них являются параметры электрической схемы обуслов
10609. Особенности цифрового управления процессами 196.25 KB
  Исторический обзор. Понятие системы. Особенности цифрового управления процессами Первый пример практического применения управляющей ЭВМ относится к 1959 году он связан с работой нефтехимического завода компании Texaco в городе Порт Артур штат Техас. Компания Texaco выпо...
10610. Управление на основе последовательного программирования. Управление на основе прерываний. Управление последовательностью событий и бинарное управление 480.38 KB
  Управление на основе последовательного программирования. Управление на основе прерываний. Управление последовательностью событий и бинарное управление Попытаемся проанализировать следующую проблему: могут ли задачи управления в реальном времени решаться с помощь...
10611. Генерация опорного значения. Системы, содержащие несколько контуров управления 107.1 KB
  Генерация опорного значения. Системы содержащие несколько контуров управления. Взаимосвязанные системы. Критичные по времени процессы. Сбор данных измерений и обработка сигналов. Топология информационных потоков. Интерфейс оператора. Системная интеграция и надежность...
10612. Модели, применяемые в управлении. Типы моделей. Масштаб времени динамических моделей 234.16 KB
  Модели применяемые в управлении. Типы моделей. Масштаб времени динамических моделей. Непрерывные модели динамических систем. Уравнения состояния. Нелинейные системы. Численное моделирование динамических систем. Проблема слишком большого шага. Дискретные модели динам
10613. Компоненты интерфейса между процессом и управляющим компьютером. Датчики. Исполнительные устройства. Бинарные и цифровые датчики 195.59 KB
  Компоненты интерфейса между процессом и управляющим компьютером. Датчики. Исполнительные устройства. Бинарные и цифровые датчики. Обработка сигналов. Дискретизация сигналов. Преобразование аналоговых и цифровых сигналов. Обработка измерительной информации. Аналог...