• 5

РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ. Работа 33. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ВОЛЬТМЕТР

Принадлежности: электрометр, электростатический вольтметр, выпрямитель, вариак, разновес.

Если подвести электрическое напряжение к пластинам плос­кого воздушного конденсатора, то между пластинами возникнет сила притяжения, по величине которой нетрудно вычислить раз­ность потенциалов между пластинами.

Пусть — напряженность электрического поля, создаваемого одной из пластин в том месте, где расположена вторая. Обозначим через Q заряд конденсатора. Тогда на вторую пластину действует со стороны первой сила F = EtQ (равная, конечно, силе действия второй пластины на первую). Напряженность поля Ег связана с плотностью электрического заряда а = Q/S соотношением Ег —

= ^-а. Таким образом,

Z&Q

<■>

8 S

Для плоского конденсатора Q — VC = V , где d — расстояние между пластинами. Окончательно получаем

2cf2 »

ИЛИ

(2)

V         = dV2F/e0S:  (3)

Формула (3) определяет в системе единиц СИ связь между напря­жением на конденсаторе и силой, сводящей его пластины. Экспери­ментально исследуя зависимость между У, d и F, можно проверить справедливость формулы (3) и найти величину е0.

Нетрудно получить аналогичную формулу в системе единиц СГСЭ. Проводя те же рассуждения, что и выше, найдем

V         =          (4)

Таким образом, для измерения напряжения в системе СГСЭ доста­точно иметь линейку и чувствительный динамометр, позволяющий

измерять силы, действующие между пластинами конденсатора. Эти измерения являютсяя абсолютными, поскольку они не требуют никаких специальных эталонов напряжения.

Описание установки. В качестве динамометра в настоящей работе используются аналитические весы (рис. 95), одна (/) из чашек которых является подвижной пластиной воздушного конденсатора. Эта пластина заземлена. Высоковольтная неподвижная пластина 2 помещена внутри заземленного электростатического экрана 3. Верхняя часть экрана имеет вид кольца, окружающего пластину 1 (охранное кольцо).

Нижние поверхности подвижной пластины и кольца лежат в одной плоскости. Так как их потенциалы равны, то они образуют

 

220 В

О-^-Ч I -о

^Выпрямитель

Рис. 95. Схема устройства электростатического вольтметра.

как бы сплошной проводник, электрическое поле оказывается однородным вдоль всей поверхности подвижной пластины и не испытывает заметного рассеяния у ее краев.

Напряжение на конденсатор подается от высоковольтного селе­нового выпрямителя. Включенное в цепь сопротивление предохра­няет выпрямитель от короткого замыкания при соединении пластин конденсатора. Параллельно пластинам включается электростатичес­кий вольтметр.

Поясним способ измерения сил, действующих между пластинами конденсатора. Как следует из формулы (2), эти силы быстро воз­растают с уменьшением зазора между пластинами. С другой стороны, силы, обеспечивающие равновесие аналитических весов, возрас­тают при перекосах коромысла крайне медленно. В условиях нашего опыта равновесие весов оказывается поэтому неустой­чивым.

В начале опыта на левую чашку весов кладется некоторый перегрузок. Положение весов фиксируется при этом тремя кон­тактными. винтами 4, расположенными в вершинах равностороннего треугольника (рис. 95 и 96). Винты упираются в посеребренные контактные площадки 5, установленные на верхней плоскости под­вижной пластины. Электрические силы, действующие на пластину У,

возрастают по мере увеличения потенциала неподвижной пла­стины. В тот момент, когда эти силы окажутся равны весу пере­грузка, коромысло теряет устойчивость и подвижная пластина «прилипает» к неподвижной. Этот момент фиксируется по движению стрелки весов. Напряжение на пластинах регулируется с помощью вариака.

Измерения. 1. Проверьте установку весов. Предварительная регулировка прибора производилась при горизонтальном положе­нии платформы весов. Горизонтальность весов следует проверить

с помощью уровня и при необходимо­сти восстановить регулировочными винтами.

2. Проверьте правильность регу­лировки электрометра. Подвижная пластина должна располагаться в центре охранного кольца, не касаясь его и не подходя к нему на опасно близкое расстояние. Нижняя поверх­ность подвижной пластины должна быть параллельна верхней поверх­ности неподвижного электрода и ле­жать в одной плоскости с нижним срезом охранного кольца (положение охранного кольца относительно не­подвижной пластины выверено при сборке прибора).

Регулировка электрометра произ­водится в следующем порядке.

а) Установите подвижную пласти­ну так, чтобы все три упорных штиф­та 4 находились против центров кон­тактных пластин 5. Установка производится путем поворота винта серьги 6, поддерживающей подвижную пластину. Регулировку нужно производить при арретированных весах.

б) Отрегулируйте зазор между неподвижной и подвижной плас­тинами конденсатора. На платформу 7, связанную с подвижной пластиной, положите перегрузок массой 5-ь10 г, после чего снимите весы с арретира. При этом подвижная пластина конденсатора ло­жится на неподвижную. Положите на контактные пластины 5 шлифованные пластинки одинаковой толщины (в нашем случае 1,6 мм). Поворачивая штифты 4, установите их так, чтобы острия штифтов соприкасались с пластинами. Зафиксируйте штифты зажимными болтами. Выньте пластинки и арретируйтевесы. В поло­жении, когда подвижная пластина весов поднята до упора в штифты, расстояние между пластинами конденсатора окажется равным 1,6 мм.

 

Рис. 96. Устройство плеча ве­сов с подвижной пластиной конденсатора.

3.         Отрегулируйте положение коромысла ненагруженных весов. Эту регулировку следует производить при закороченном ключе /С, позволяющем полностью разрядить конденсатор. Регулировка осуществляется при помощи тарировочных гаек, расположенных по краям коромысла, до тех пор, пока стрелка весов не окажется на нулевом делении шкалы. Поворот гаек производится при арре- тированных весах, а проверка положения коромысла — когда весы сняты с арретира. В положении равновесия между опор­ными площадками и упорными штифтами должен быть неболь­шой зазор.

При регулировке весов следует внимательно следить за тем, чтобы ход коромысла был вполне свободен, так как волоски или пы­линки, попавшие между экраном и подвижной пластиной, могут полностью исказить результаты опыта.

Следует также следить за тем, чтобы соприкасающиеся поверх­ности штифтов и пластин были чистыми, так как даже небольшие количества воды или масла приводят к прилипанию пластины к штифтам и к искажению результатов опыта.

Окончательная проверка исправности аппаратуры может быть произведена с помощью формулы (2). Как следует из этой формулы, измеренная весами сила притяжения пластин должна линейно зависеть от квадрата напряжения на конденсаторе. Указанная зави­симость должна быть исследована экспериментально не менее чем по пяти точкам. Если эти точки, в пределах ошибок опыта, ложатся на прямую линию, опыт можно закончить. Если прямой линии не получается, следует найти и устранить неисправности в ап­паратуре.

Для измерения напряжения при этом применяется обыкновенный электростатический вольтметр.

4.         При измерениях нагрузите прежде всего левую чашку весов небольшим грузом, прижимающим подвижную пластину к упорным штифтам, а затем подберите напряжение, приводящее к потере устойчивости весов. Перед началом опыта оцените рабочий диапа­зон нагрузок путем вычисления по формуле (3) или (4).

5.         Найдите наклон прямой в графике зависимости силы притя­жения пластин от квадрата напряжения на них, измеренного элек­тростатическим вольтметром. Используйте найденное значение для вычисления е0.

6.         Формула (4) позволяет найти напряжение в системе СГСЭ, а показание вольтметра определяет его в вольтах.

Сравнивая найденные результаты, определите коэффициент перевода единиц СГСЭ в вольты.

7.         Формула (3) позволяет измерять с помощью весов эффектив­ное значение переменного напряжения. Измерьте эффективное зна­чение напряжения сети. Сетевое напряжение подводился к пласти­нам через большое сопротивление (1-^2 МОм).

Контрольные вопросы

1.         Оцените ошибку, происходящую от того, что равновесие у весов устанав­ливалось при наличии зазора между штифтами и верхней пластиной, а измерения производятся при отсутствии этого зазора. Нужно ли учитывать это различие в виде поправки при Вашей точности опытов?

2.         Покажите, что измерения на переменном токе определяют именно эффек­тивное значение его напряжения.

3.         Зачем в цепь переменного напряжения включают большое сопротивление?

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я