Лабораторная работа "Измерение энергии электрического поля заряженного конденсатора"
Теоретический материал. Если подключить конденсатор к источнику постоянного тока, то на его обкладках будут накапливаться электрические заряды противоположных знаков. Следовательно, между обкладками существует электрическое поле. Напряженность поля, созданного зарядом одной из пластин, равна Е / 2, где Е — напряженность поля в конденсаторе. В однородном поле одной пластины находится заряд q, распределенный по поверхности другой пластины. Этот заряд может совершить работу, которая определяется формулой
A=q E 2 d , где q — заряд конденсатора, d — расстояние между пластинами. Так как Ed = U, где U — напряжение на обкладках конденсатора, то его энергия Ек = qU/2. Эта энергия равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин вплотную. Последнюю формулу можно записать иначе:
E к =A= qU 2 = q 2 ⋅ q C = q 2 2C = C U 2 2 . В том, что заряженный конденсатор обладает энергией, можно убедиться, если разрядить его через цепь, содержащую лампочку накаливания (рис. 23). Конденсатор С с помощью переключателя K можно присоединять либо к источнику постоянного тока, либо к лампе накаливания.
Рис. 23
Если ручку переключателя K поставить в положение 1, то конденсатор подключается к источнику тока и заряжается до напряжения источника питания. В результате он накапливает энергию
E к = C U 2 2 . После перевода переключателя в положение 2 конденсатор замыкается на лампу накаливания и она вспыхивает. В результате делаем вывод: электрическое поле конденсатора обладает энергией, которая в выше рассмотренном опыте превращается во внутреннюю энергию раскаленной нити. Цель работы: измерить энергию заряженного конденсатора. Приборы и материалы: мультиметр M890G, конденсатор электролитический емкостью 5 мкФ на подставке, адаптер. Указания к работе: 1. Переключатель мультиметра M890G установите в положение вольтметра постоянного тока с пределом измерения «200 B». 2. Соблюдая полярность, присоедините вольтметр к зажимам электролитического конденсатора. 3. Электрическую цепь «конденсатор — вольтметр» присоедините к выходным зажимам адаптера с учетом полярности. Предварительно переключатель адаптера установите в положение «3V». 4. Далее отключите источник тока от конденсатора и через промежутки времени, равные 30 с, фиксируйте показания вольтметра. Внутреннее сопротивление вольтметра равно 10 МОм. Для определения силы разрядного тока с течением времени (в нашем случае фиксированными промежутками времени) разделите значение напряжения (показания вольтметра) на значение внутреннего сопротивления прибора 107 Ом. 5. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 6.
Таблица 6 Время t, с
Напряжение U на конденсаторе, В
Сила тока разряда I, × 10−7 А 0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
6. По данным таблицы постройте график зависимости силы тока от времени. Рассчитайте площадь (под графиком) в квадратных сантиметрах (миллиметрах), определите заряд, соответствующий этой площади, и вычислите энергию конденсатора.
