background image

Laboratorium Fizyki; Ćwiczenie E-01. Badanie właściwości elektrycznych kondensatora płaskiego. 

 

 

Katedra Podstaw Elektroniki,  WEiI PK. Koszalin 2011. 

E-01. Badanie właściwości elektrycznych kondensatora płaskiego 

Cel eksperymentu 

  Wyznaczanie pojemności kondensatora w funkcji powierzchni jego okładek 
  Wyznaczanie pojemności kondensatora z różnymi dielektrykami między jego okładkami 
  Wyznaczanie pojemności kondensatora w funkcji odległości między jego okładkami 

 

1. Wiadomości teoretyczne 

Wiadomo, że pojemność elektryczna kondensatora C jest stosunkiem ładunku elektrycznego Q do napię-
cia U między jego okładkami,  

 

U

Q

C

 . 

(1) 

 

Najprostszym  kondensatorem  elektrycznym  jest  kondensator  płaski.  Jego 
pojemność elektryczna C dana jest wzorem, 

d

A

C

r

0

 , 

(2) 

gdzie 
A - powierzchnia okładek kondensatora, 
d – odległość między okładkami kondensatora, 
ε

r

 - przenikalność  elektryczna  względna  materiału  znajdującego  się  miedzy 

okładkami kondensatora, 
ε

0

 = 8,85·10

-12

 F/m jest przenikalnością elektryczną próżni. 

 
Przenikalność elektryczna względna ε

r

 uwzględnia zmianę pojemności kon-

densatora,  spowodowaną  wprowadzeniem  materiału  między  okładkami,  w 
odniesieniu do próżni. Dla suchego, czystego powietrza ε

r

   1, co  oznacza, 

że pojemności kondensatora w próżni i powietrzu są jednakowe. 
 
Zależność (2) będzie badana eksperymentalnie z zastosowaniem kondensa-

tora  o  zmiennej  geometrii.  Do  eksperymentu  będą  użyte  okładki  o  powierzchniach  A = 400 cm

2

  i 

A = 800 cm

2

. Odległość  miedzy okładkami będzie zmieniana  w odstępach 1 mm. Najpierw będzie  mie-

rzony ładunek elektryczny Q, zgromadzony na okładkach kondensatora, w funkcji przyłożonego napięcia 
U. Pojemność elektryczną C wyznaczamy z nachylenia prostej powstałej z punktów Q=f(U). 
Proporcjonalność pojemności elektrycznej C do powierzchni okładek A 

A

~

 

potwierdzona będzie pomiarami pojemności kondensatora przy zmiennej odległości między okładzinami 
i dla różnych powierzchni okładzin A. 
Dodatkowo,  poprzez  umieszczenie  dielektryków  miedzy  okładkami  kondensatora,  będą  wyznaczone 
przenikalności  elektryczne  ε

r

  różnych  materiałów.  Zmiana  odległości  między  okładkami  kondensatora 

pozwoli na potwierdzenie proporcjonalności, 

d

C

1

~

 

Ładunek zgromadzony na kondensatorze jest mierzony za pomocą elektrometru. Mierzony ładunek rów-
ny jest iloczynowi pojemności pomiarowej elektrometru i mierzonego napięcia. 

A

A

U

C

Q

 

Na  przykład,  dla  pojemności  pomiarowej  C

A

=10nF  i  mierzonego  napięcia  U

A

=1V  mierzony  ładunek 

wynosi Q=10 nAs. Na stanowisku dostępne są dwa kondensatory pomiarowe C

A

 o pojemnościach 10nF i 

100nF.  Uwaga!!!  Jeżeli  napięcie  wskazywane  przez  elektrometr  wynosi  ok.  8V  i  więcej  to  należy 
zmienić  kondensator  pomiarowy  na  większy,  a  pomiary  zarejestrowane  przy  takich  wskazaniach 
należy powtórzyć.  
 

ε

-Q 

background image

Laboratorium Fizyki; Ćwiczenie E-01. Badanie właściwości elektrycznych kondensatora płaskiego. 

 

 

Katedra Podstaw Elektroniki,  WEiI PK. Koszalin 2011. 

2. Opis aparatury pomiarowej 

 

  Mniejsze okładki kondensatora (A=40cm

2

) ustawione są w odległości 4mm od siebie. 

  Ujemny  kontakt  zasilacza  450V  podłączony  jest  do  okładziny  prawej  i  do  masy  elektrometru. 

Do masy elektrometru podłączony jest również kabel uziemiający. 

  Dodatni kontakt zasilacza 450V podłączony jest do złącza B przełącznika 
  Złącze  A przełącznika podłączone jest do lewej okładziny kondensatora a złącze C do wejścia 

elektrometru 

  Do elektrometru podłączony jest kondensator pomiarowy C

A

=10nF (100nF), a do wyjścia podłą-

czony jest woltomierz 

  Do zasilacza 450V podłączony jest woltomierz mierzący napięcie U. 

 

3. Przebieg eksperymentu 

3.1 Pomiar zależności ładunku kondensatora w funkcji przyłożonego napięcia dla różnych powierzchni 
okładek kondensatora 

 

Ustaw przełącznik w położenie A-C, rozładuj kondensator za pomocą przewodu uziemiającego, 
sprawdź zero na mierniku ładunku 

 

Weź w rękę przewód uziemiający, przełącznik ustaw w pozycję A-B i ustaw U=50V na zasila-
czu. 

 

Ustaw przełącznik w pozycję A-C i zmierz wartość ładunku Q a następnie rozładuj kondensator 

 

Powtórz  pomiary  dla  innych  wartości  napięć  U.  Uwaga!!!  Używaj  napięć  nie  większych  niż 
300V
  

 

Wyłącz zasilacz 450V i zmień okładki kondensatora na większe (A=80cm

2

 i d=4mm).  

 

Włącz zasilacz 450V. Ustaw przełącznik w pozycję A-C i rozładuj kondensator 

 

Trzymając kabel uziemiający wykonaj drugą serię pomiarów. 

 

Tabela 1: Ładunek Q w funkcji napięcia U i pojemności C dla różnych powierzchni okładek A. 

U [V] 

Q

400

[nAs] 

(A=400cm

2

Q

800

[nAs] 

(A=800cm

2

50 

 

 

75 

 

 

100 

 

 

125 

 

 

150 

 

 

175 

 

 

200 

 

 

225 

 

 

250 

 

 

275 

 

 

300 

 

 

background image

Laboratorium Fizyki; Ćwiczenie E-01. Badanie właściwości elektrycznych kondensatora płaskiego. 

 

 

Katedra Podstaw Elektroniki,  WEiI PK. Koszalin 2011. 

 

3.2  Pomiar  zależności  ładunku  kondensatora  w  funkcji  przyłożonego  napięcia  dla  różnych  dielektry-

ków 

 

Przełącznik musi być w pozycji A-C 

 

Umieść polistyren między dużymi okładkami kondensatora (okładki powinny przylegać 
dokładnie do polistyrenu) 

 

Ustaw przełącznik w pozycji A-C i rozładuj kondensator 

 

Trzymając kabel uziemiający, zmierz ładunek Q w funkcji napięcia U (wykonuj czyn-
ności w kolejności jak w punkcie a, Pamiętaj o używaniu napięcia niewiększego niż 
300V

 

Zamień polistyren na szkło, ustaw przełącznik w pozycję A-C i rozładuj kondensator. 

 

Trzymają kabel uziemiający wykonaj drugą serię pomiarów. 

 
Tabela 2: Ładunek Q w funkcji napięcia U i pojemności C dla różnych dielektryków. 

U [V] 

Q [nAs] 

powietrze 

Q [nAs] 

polistyren 

Q [nAs] 

szkło 

50 

 

 

 

75 

 

 

 

100 

 

 

 

125 

 

 

 

150 

 

 

 

175 

 

 

 

200 

 

 

 

225 

 

 

 

250 

 

 

 

275 

 

 

 

300 

 

 

 

 

3.3 Wyznaczanie pojemności kondensatora w funkcji odległości między okładkami 

 

Przełącznik musi być w pozycji A-C 

 

Ustaw napięcie na 300V 

 

Usuń  szkło  znajdujące  się  miedzy  okładkami  kondensatora  i  ustaw  odległość  między 
okładkami na d=6mm 

 

Rozładuj kondensator 

 

Trzymając  w  ręce  kabel  uziemiający.  Naładuj  kondensator  poprzez  ustawienie  prze-
łącznika w pozycji A-B. 

 

Ustaw przełącznik w pozycji A-C, zmierz ładunek Q i zapisz wynik. 

 

Zmieniaj odległość na 4,3,2 i 1mm, ładuj kondensator i mierz ładunek. 

 
Tabela  3:  Ładunek  Q  (przy  U=300V)  i  pojemność  C  w  funkcji  odległości  d  między  okładkami 
kondensatora (A=800cm

2

 

d [mm] 

Q [nAs] 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Laboratorium Fizyki; Ćwiczenie E-01. Badanie właściwości elektrycznych kondensatora płaskiego. 

 

 

Katedra Podstaw Elektroniki,  WEiI PK. Koszalin 2011. 

4. Opracowanie wyników pomiarów 

1.  Wykonaj  wykresy  zależności  ładunku  Q  od  wartości  napięcia  U  dla  kondensatorów  C

400

  i  C

800

  na 

bazie danych tabeli 1.  

2.  Z nachylenia prostych, przechodzących przez punkty pomiarowe, wyznacz pojemności kondensato-

rów C

400

  i  C

800

. Wyznacz również ich niepewności pomiarowe ΔC

400

  i  ΔC

800

. Wykorzystaj metodę 

najmniejszych kwadratów. 

3.  Sprawdź proporcjonalność pojemności kondensatorów C

400

 i C

800

 do powierzchni ich okładek A

4.  Wyznacz doświadczalną wartość współczynnika przenikalności elektrycznej 

0

 korzystając ze wzoru: 

C

A

d

0

 gdzie jest współczynnikiem nachylenia prostej Q=f(U)  wyznaczonym w pkt.2 

5.  Oszacuj niepewność pomiaru powierzchni okładek ΔA i odległości między okładkami Δd. Wyznacz 

niepewność pomiaru współczynnika przenikalności elektrycznej dla każdego z badanych kondensa-
torów: 
 

2

2

2

A

A

C

C

d

d

 

 

6.  Oceń  wpływ  niedokładności  poszczególnych  parametrów  (Δd,  ΔA,  ΔC)  na  niedokładność  pomiaru 

przenikalności elektrycznej.  

7.  Porównaj uzyskaną wartość 

0

 z wartością katalogową. 

8.  Wykonaj  wykresy  zależności  ładunku  Q  od  napięcia  U  na  dużym  kondensatorze  (A=800cm

2

)  dla 

różnych  dielektryków  (powietrze,  polistyren,  szkło).  Z  nachylenia  prostych  przechodzących  przez 
punkty pomiarowe wyznacz pojemności kondensatorów C i ze stosunku C

szkło

/C

pow

 i  C

poly

/C

pow

 wy-

znacz współczynniki przenikalności elektrycznej względnej ε

r

 dla szkła i polistyrenu. Określ niepew-

ność pomiaru współczynnika przenikalności elektrycznej względnej ε

r

. Porównaj otrzymane wartości 

z danymi katalogowymi. 

9.  Przeanalizuj otrzymane wyniki badań i sformułuj odpowiednie wnioski. 

background image

Laboratorium Fizyki; Ćwiczenie E-01. Badanie właściwości elektrycznych kondensatora płaskiego. 

 

 

Katedra Podstaw Elektroniki,  WEiI PK. Koszalin 2011. 

Protokół pomiarowy 

 

Ćw. E-01. 

Laboratorium z fizyki 

Rok akadem: 
 

Temat: 
Badanie  właściwości  elektrycznych  kondensatora  pła-
skiego 

Kierunek: 
 
Grupa: 

Imię i Nazwisko: 
 
 

 

Ocena 

Data Zaliczenia 

Podpis 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Tabela 1: Ładunek Q w funkcji napięcia U i pojemności C dla różnych powierzchni okładek A. 

U [V] 

Q

400

[nAs] (A=400cm

2

)  Q

800

[nAs] (A=800cm

2

50 

 

 

75 

 

 

100 

 

 

125 

 

 

150 

 

 

175 

 

 

200 

 

 

225 

 

 

250 

 

 

275 

 

 

300 

 

 

 
Tabela 2: Ładunek Q w funkcji napięcia U i pojemności C dla różnych dielektryków. 

U [V] 

Q [nAs] 
powietrze 

Q [nAs] 
polistyren 

Q [nAs] 
szkło 

50 

 

 

 

75 

 

 

 

100 

 

 

 

125 

 

 

 

150 

 

 

 

175 

 

 

 

200 

 

 

 

225 

 

 

 

250 

 

 

 

275 

 

 

 

300 

 

 

 

 
Tabela 3: Ładunek Q (przy U=300V) i pojemność C w funkcji odległości d między okładkami kondensa-
tora (A=800cm

2

d [mm] 

Q [nAs]