Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Обработка результатов измерений

1. Вычислив соответствующие величины, заполните таблицу 14.1.

2. По данным таблицы 14.1 постройте график зависимости I_эф от величины 2 p·C5U_эф. Из выражения (14.14) следует, что графиком указанной зависимости будет прямая, проходящая через начало координат, с угловым коэффициентом, численно равным значению f. Построив указанный график, вычислите значение f геометрически.

3. Используя полученное значение f, вычислите необходимые величины и заполните таблицы 14.2, 14.3.

4. По данным таблицы 14.2 постройте график зависимости тока I_эф от величины 2 p·fU_эф. Угловой коэффициент полученной прямой численно равен значению неизвестной ёмкости С4. Аналогично пункту 2 по данным построенного графика определите значение С4.

5. Вычислите аналитически значения C4 для каждого опыта и C4_ср.

6. Вычислите погрешности измерений, используя результаты п.5 (см. формулу (14.17)).

Формулы для определения абсолютной и относительной погрешностей С4:

и , (14.17)

где C4_i – одно из экспериментальных значений,

C4_ср – среднее значение емкости,

N – число проведенных измерений.

7. По данным таблицы 14.3 определите экспериментальное значение ёмкости комбинированного соединения конденсаторов С1, С2, С3. Порядок расчета такой же, как и в пункте 2.

8. Зная ёмкости каждого конденсатора и схему их включения (эти данные указаны на лабораторном макете) по формулам (14.4) и (14.5) вычислите теоретическое значение ёмкости комбинированного соединения.

9. Сравните полученные экспериментальное и теоретическое значения ёмкости комбинированного соединения и определите погрешности измерения по формулам:

10. Вычислив соответствующие величины, заполните таблицу 14.4.

11. По данным таблицы 14.4 постройте график, откладывая по оси абсцисс f (Г_ц), а по оси ординат величину I_эф/ 2 pU_эф (Ом^- ¹). Из формулы (14.15) видно, что графиком указанной зависимости будет прямая, проходящая через начало координат с угловым коэффициентом численно равным значению С4. Геометрически и аналитически вычислите значение С4.

12. Вычислите погрешности измерений (см. формулу (14.17)).

13. Сравните С4_ср(1), полученное в п.4 и С4_ср(2), полученное в п.11: . Значение К не должно превышать максимальную относительную погрешность из рассчитанных в п.6 и п.12. Если в указанных пределах результаты вычисления С4 совпадают, это означает что измерения и расчеты выполнены правильно. Одновременно экспериментально подтверждается зависимость реактивного сопротивления конденсатора от частоты тока.

Контрольные вопросы

1. Конденсатор. Объясните устройство конденсатора, его назначение.

2. Какие типы (по конструктивным особенностям) конденсаторов применяются в технике? Как устроен конденсатор переменной емкости?

3. В чем отличие реального конденсатора от идеального?

4. Что такое эффективное значение тока (напряжения)?

5. Объясните понятия: ток смещения, полный ток.

6. Что называется электрической ёмкостью проводника и от чего она зависит?

7. Электрическая емкость конденсатора. Как эта величина зависит от конструктивных особенностей конденсатора? Приведите примеры.

8. Зависит ли емкость конденсатора от электрического заряда, накопленного на его обкладках?

9. Диэлектрическая проницаемость среды. Как влияет эта характеристика на величину электрической емкости конденсатора?

10. Сформулируйте закон Ома для цепи, содержащей конденсатор.

11. Что называется реактивным сопротивлением цепи?

12. Какие виды сопротивлений различают в цепи переменного тока?

13. Как в принципе можно экспериментально доказать существование сдвига фаз между током и напряжением?

14. Как будет изменяться ёмкость конденсатора при увеличении разности потенциалов на его обкладках?

15. Выведите расчетную формулу (14.16).

16. Энергия заряженного конденсатора. Выведите формулу для плотности энергии плоского конденсатора. От чего она зависит?

17. Какое явление называют пробоем конденсатора? Насколько это опасно для прибора? Какая величина характеризует это явление?

18. Приведите формулу для вычисления емкости батареи конденсаторов, в которой использовано последовательное (параллельное или смешанное) соединение.

19. В каких случаях целесообразно применять параллельное или последовательное соединения конденсаторов? В чем преимущества и недостатки каждого их этих соединений?

20. От каких величин зависит амплитуда переменного тока, протекающего через конденсатор?

Лабораторная работа №15: Изучение явления термоэлектричества и градуировка термопары

Цель работы: провести градуировку термопары и экспериментально определить дифференциальную термо-э.д.с.

Оборудование: термопара, колба с водой, нагреватель, термометр.

Краткая теория

Ток в металлах

По своему строению проводники первого рода – металлы – представляют ионную кристаллическую решетку, в которой хаотически движутся свободные электроны.

За счет внутренней энергии решетки совершается ионизация, в среднем каждый атом одновалентного металла отдает один электрон (отрыв второго электрона от иона требует гораздо большей энергии), поэтому концентрация свободных электронов и атомов одного порядка. Такой же порядок имеют концентрации электронов в металлах других валентностей. Опыты показывают, что при прохождении электрического тока через металл атомы не перемещаются, а свободными зарядами в металле являются электроны.

Электроны металла участвуют в хаотическом движении, равновероятном во всех направлениях. При наложении внешнего поля, испытывая действие его сил, электроны начинают дрейфовать в сторону, противоположную напряженности поля. Кроме хаотического движения они теперь совершают направленное движение, представляющее собой электрический ток. Средняя скорость этого направленного движения мала, она порядка нескольких миллиметров в секунду, скорость распространения электрического поля порядка скорости света (электрон, участвующий в постоянном токе, пройдет провод длиной в несколько метров за несколько минут, сигнал же от одного конца такого провода до другого идет примерно десять наносекунд). От одного столкновения до другого электроны в электрическом поле движутся ускоренно, поэтому мы говорим о средней скорости направленного движения. Проводимость металлов называют электронной.

Работа выхода

Свободные электроны в металле иногда можно представить в виде электронного газа, частицы которого распределены по скоростям. Некоторые электроны вылетают из металла, но так как в целом кусок металла был нейтрален, то каждый вылетающий электрон оставляет «свой» положительный заряд нескомпенсированным. Металл заряжается положительно, а около его образуется электронное облако. Теперь для вылета электрона из металла должна быть совершена отрицательная работа поля, т.е. над полем нужно совершить работу, сообщить электрону дополнительную энергию. Работа выхода – это работа, необходимая для вылета одного электрона из металла. Она совершается против сил отталкивания электронного облака и притяжения положительно заряженного верхнего слоя металла за счет внутренней энергии решетки или сообщенной извне энергии.

Концентрация электронного облака зависит от количества «быстрых» электронов, обладающих энергией, достаточной для совершения работы выхода. Количество таких электронов зависит от температуры. При комнатной температуре «быстрых» электронов мало, концентрация электронного облака также мала. Но при достаточно высокой температуре (≈1500 – 2000 К) количество вылетающих электронов резко увеличивается, за счет этой термоэлектронной эмиссии [1] возрастает концентрация электронного облака, и становится возможным использование термоэлектронного тока в вакууме.

Потенциальная энергия электронов вне металла выше их энергии в металле (рис. 15.1, за нуль принята энергия электронов в вакууме). Говорят, что электрон в металле находится в потенциальной яме. По современным представлениям, электроны в металле имеют дискретный ряд близких значений энергии.

В большинстве явлений, связанных с током в металлах, важнейшими являются наиболее «энергичные» электроны, имеющие «верхние» уровни энергии. На рисунке 15.1 изображены самые верхние из уровней энергии электронов. «Глубинные» электроны практического значения в таких явлениях не имеют, поэтому остальные уровни только намечены, и яма изображена без дна.

Между металлом и вакуумом образуется разность потенциалов, называемая контактным потенциалом данного металла:

где е – величина заряда электрона. Контактный потенциал связан с работой выхода и зависит от рода вещества.

Контакт металл – металл

В разных металлах концентрация электронов немного различается, поэтому если они приведены в соприкосновение, начинается процесс диффузии электронов из одного незаряженного металла с большей концентрацией в другой незаряженный металл. При этом первый металл заряжается положительно, второй – отрицательно, и контактная разность потенциалов станет постоянной, когда наступит динамическое равновесие – ток электронов, протекающих через контакт вследствие наличия разности потенциалов, станет равен текущему навстречу диффузионному току.

Контактная разность потенциалов, так же как контактные потенциалы этих металлов, зависит от работы выхода и температуры. Сумма контактных разностей потенциалов замкнутой цепи из разнородных металлов равна нулю, если только все контакты находятся при одинаковой температуре: (для двух металлов; для многих – аналогично). Но контактные разности потенциалов зависят от температуры. Будем поддерживать разные контакты при различных температурах и . Тогда (рис. 15.2). Сумма контактных разностей потенциалов называется термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.), она пропорциональна разности температур спаев:

, (15.1)

где α – коэффициент терм-э.д.с. (равен терм-э.д.с., возникающей в термопаре при разности температур между спаями в 1 К).

Возникновение термо-э.д.с. называется явлением Зеебека.

Два разнородных металла, спаянных друг с другом, образуют термопару. термо-э.д.с. термопары – величина порядка десятых долей вольта при разности температур около 100 К. Термопара представляет собой тепловую машину, в которой подводимая внутренняя энергия превращается в электрическую. К.п.д. такой машины чрезвычайно низок из-за большой теплопроводности металла (приходится тратить большую энергию на поддержание разности температур). Металлические термопары в основном применяют в термоэлектрических термометрах для измерения температуры в труднодоступных местах. Для этого в разрыв цепи термопары включается чувствительный гальванометр, который градуируют в кельвинах. Лучше работает термопара из разных полупроводников (термо-э.д.с. выше, теплопроводность меньше). Такие термопары с к.п.д. порядка 10% используют как генераторы электроэнергии.

Обратное явлению Зеебека – явление, заключающееся в том, что при протекании тока через цепь, состоящую из разнородных металлов или полупроводников, в одних спаях происходит выделение, а в других поглощение тепла, называется явлением Пельтье.

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒