Исследование процессов заряда и разряда конденсатора

Лабораторный вариант                                              02.02.2023

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Санкт-Петербургский горный университет»

Кафедра общей и технической физики

ОБЩАЯ ФИЗИКА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАРЯДА И РАЗРЯДА КОНДЕНСАТОРА

Методические указания к лабораторной работе

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2023

 Цель работы: 1. Экспериментальная проверка экспоненциального характера процессов заряда и разряда конденсатора. 2. Экспериментальное определение постоянной времени RC-цепи.

1. Теоретические основы лабораторной работы

1.1. Введение

Опыт показывает, что разные проводники, имеющие одинаковый заряд q, обладают разным потенциалом. При этом увеличение заряда уединенного проводника, вызывает прямо пропорциональное возрастание его потенциала по формуле:

[pic 1].                                               (1)

Коэффициент пропорциональности, равный отношению накопленного на проводнике заряда к его потенциалу, называется электроемкостью (емкостью) проводника:

[pic 2].                                                (2)

Электроемкость характеризует способность проводников накапливать электрический заряд и измеряется в фарадах (Ф). Электроемкость уединенного проводника зависит только от его размеров, формы и диэлектрических свойств окружающей среды и не зависит от заряда на проводнике.

1.2. Конденсатор

В природе практически не существует уединенных проводников, при этом наличие вблизи заряженного проводника других проводящих тел существенно изменяет его электроемкость.

Рассмотрим электрическое поле, создаваемое заряженным проводником А (рис. 1). Если рядом расположить незаряженный проводник В, то на его поверхности появятся индуцированные заряды. Причем заряды противоположные по знаку заряду проводника А располагаются ближе к проводнику А и, следовательно, оказывают большее влияние на его потенциал. В связи с этим потенциал проводника А уменьшается, а его электроемкость, в соответствии с формулой (2), увеличивается.

[pic 3]

Рис. 1. Возникновение индуцированного заряда

Данное свойство снижения потенциала заряженного тела при приближении к нему другого тела с зарядом противоположного знака используется в конденсаторах. 

Конденсатором называется система из двух изолированных друг от друга проводников, которые называют пластинами (обкладками), хотя они могут иметь любую форму. Пространство между пластинами может быть заполнено диэлектриком.

В зависимости от конфигурации обкладок различают:

а) плоский конденсатор – систему из двух плоских параллельно расположенных металлических пластин площадью S каждая. Расстояние между пластинами d должно быть много меньше их линейных размеров. В этом случае поле между пластинами можно считать однородным и пренебречь искажениями поля на краях пластин (рис. 2);

б) цилиндрический конденсатор, у которого обкладками служат два коаксиальных цилиндра радиусами R1 и R2 и длиной l (рис. 3);

в) сферический конденсатор, обкладки которого представляют собой две концентрические сферы радиусами R1 и R2 (рис. 4).

В общем случае обкладки конденсатора могут иметь и другую форму.

[pic 4]

Рис. 2. Электрическое поле плоского конденсатора

[pic 5]

Рис. 3. Цилиндрический конденсатор

[pic 6]

Рис. 4. Сферический конденсатор

Название конденсатор происходит от лат. condensare - «уплотнять», «сгущать» или от лат. condensatio - «накопление».