Rev 839 | Blame | Compare with Previous | Last modification | View Log | Download
\documentclass[12pt,notitlepage,fleqn]{article}
\usepackage[czech]{babel}
\usepackage[pdftex]{graphicx}
\usepackage{fancyhdr,multicol} %nastavení češtiny, fancy, grafiky, sloupce
\usepackage[utf8]{inputenc} %vstupni soubory v kodovani UTF-8
\usepackage[a4paper,text={17cm,25cm},centering]{geometry} %nastavení okrajů
\usepackage{rotating}
% Here it is: the code that adjusts justification and spacing around caption.
\makeatletter
% http://www.texnik.de/floats/caption.phtml
% This does spacing around caption.
\setlength{\abovecaptionskip}{2pt} % 0.5cm as an example
\setlength{\belowcaptionskip}{2pt} % 0.5cm as an example
% This does justification (left) of caption.
\long\def\@makecaption#1#2{%
\vskip\abovecaptionskip
\sbox\@tempboxa{#1: #2}%
\ifdim \wd\@tempboxa >\hsize
#1: #2\par
\else
\global \@minipagefalse
\hb@xt@\hsize{\box\@tempboxa\hfil}%
\fi
\vskip\belowcaptionskip}
\makeatother
\begin{document}
\pagestyle{empty} %nastavení stylu stránky
\def\tablename{\textbf {Tabulka}}
\begin {table}[tbp]
\begin {center}
\begin{tabular}{|l|l|}
\hline
\multicolumn{ 2}{|c|}{\Large \bfseries FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE \huge\strut} \\ \hline
\textbf{Datum měření:} {5.5.2011} & \textbf{Jméno:} {Jakub Kákona} \\ \hline
\textbf{Pracovní skupina:} {4} & \textbf{Ročník a kroužek:} {Pa 9:30} \\ \hline
\textbf{Spolupracovníci:} {Jana Navrátilová} & \textbf{Hodnocení:} \\ \hline
\end{tabular}
\end {center}
\end {table}
\begin{center} \Large{Úloha 1: Kondenzátor, mapování elektrického pole} \end{center}
\begin{abstract}
Cílem našeho měření bylo ověření silového působení mezi náboji a zmapování rozložení elektrického pole.
\end{abstract}
\section{Úvod}
\subsection{Zadání}
\begin{enumerate}
\item DÚ: Připomeňte si odvození kapacity deskového kondenzátoru.
\item DÚ: Bezpečnostní normy připouštějí maximální náboj $50\mu C$ na deskách kondenzátoru. Stanovte jednu náhodnou geometrii deskového kondenzátoru, který by překročil tuto normu při napětí $100 kV$.
\item Změřte přitažlivé síly mezi deskami kondenzátoru pro různé vzdálenosti desek. Náboj přivádějte až do průrazu mezi deskami kondenzátoru. Napětí odhadněte z dielektrické pevnosti vzduchu. Naměřené hodnoty silového působení změřené na vahách porovnejte s předpovědí ze vztahu \eqref{h}.
\item \label{tri} Změřte přitažlivé síly mezi deskami kondenzátoru pro tři různé vzdálenosti desek (dle distancí). Náboj přivádějte až do průrazu na kulovém jiskřišti Wimshurstovy elektriky. Ze silového působení spočtěte napětí \eqref{h} a ze vztahu \eqref{ll} se pokuste určit neznámou funkci $f(s/D)$. Experimentální data a nalezenou funkci zpracujte do grafu.
\item Zvolte si různé konfigurace elektrod, nastavte na nich napětí cca $10V$ a zmapujte potenciál v síti $12\times12$ bodů. Vyhodnoťte pomocí příslušného software v systému Linux (odečítání dat voltmetru, gnuplot). Data si zazálohujte a proveďte důkladné vyhodnocení v domácím zpracování.\end{enumerate}
\section{Experimentální uspořádání a metody}
\subsection{Pomůcky}
Wimshurstova elektrika, váhy, deskový kondenzátor, podstavec, vodiče, sada distancí, zkratovač, regulovatelný zdroj 20V, souprava pro mapování elektrostatického pole, voltmetr.
$\\$
\subsection{Teoretický úvod}
\subsection{Kondenzátor}
Kondenzátor je soustava dvou elektrod, které umožňují uchovávání elektrického náboje. Důležitá charakteristika kondenzátoru je jeho kapacita $C$ -- konstanta úměrnosti mezi velikostí náboje $Q$ na každé z elektrod a přivedeným napětím $U$.
\begin{equation}
Q= C \cdot U \label{kkk}.
\end{equation}
Kapacita kondenzátoru závisí na geometrickém uspořádání elektrod a relativní permitivitě okolního prostředí.
Speciálně pro kondenzátor tvořený dvěma rovnoběžnými deskami (ve vzájemné vzdálenosti $d$) ve vzduchu ($\varepsilon \simeq \varepsilon_0 $), lze kapacitu najít využitím Gaussova zákona:
\begin{equation}
U = E\cdot d \quad\stackrel{Gauss}{=} \quad \frac{\sigma d}{\varepsilon} = \underbrace{\frac{d}{\varepsilon S}}_{1/C}Q \quad \Rightarrow \quad C = \frac{\varepsilon S}{d}.
\end{equation}
Bezpečnostní normy připouštějí maximální náboj $50\mu C$ na deskách kondenzátoru. Uvažujeme - li napětí 100~kV a plochu deskového kondenzátoru, dostáváme mezní vzdálenost kondenzátorových desek
\begin{equation}
d= \frac{\varepsilon S U}{Q} = 1.77 cm.
\end{equation}
Nabité desky kondenzátoru na sebe vzájemně působí elektrostatickou přitažlivou silou
\begin{equation}
F = \varepsilon\frac{ U^{2} S}{2 d^2} \label{h}
\end{equation}
Napětí na kondenzátoru je však shora omezeno dielektrickou pevností okolního prostředí (v našem případě vzduchu: $30 kV\, cm^{-1}$). V pracovním úkolu \ref{tri} využijeme dobře definovaného průrazného napětí na kulovém jiskřišti
\begin{equation}
U_a &= 27.75 (1+\frac{0.757}{\sqrt{\delta D}}) \delta\frac{s}{f}\\ \label{ll}
\delta &= \frac{b}{760}\cdot\frac{273+20}{273+t}
\end{equation}
kde $U_a$ je napětí [kV], $s$ doskok, tedy vzdálenost mezi kuličkami jiskřiště [cm], $D$ průměr koulí [cm], relativní hustota vzduchu, $b$ barometrický tlak [mm rtuťového sloupce], $t$ teplota v místnosti [$^oC$] a funkce $f$ je závislá na poměru $s/D$ a na poloze jiskřiště proti zemi.
\section{Výsledky a postup měření}
\subsection{Kondenzátor}
\subsubsection{Průraz na deskách kondenzátoru}
Po maximálním vyrovnání desek jsme zvyšovali jejich náboj až do průrazného napětí a zároveň sledovali silové působení na analytické váze.
\begin{table}[htbp]
\begin{center}
\begin{tabular}{|ccccc|}
\hline
$d$ [mm] & $U$ [kV] & $m$ [g] & $F$ [N] & chyba \\ \hline
24 &72 &26 &0.255 &0.008 \\
19 &57 &34.2 &0.336 &0.029 \\
32 &96 &19.15 &0.188 &0.020 \\
35 &105 &17.2 &0.169 &0.015 \\ \hline
\end{tabular}
\end{center}
\caption{Naměřené a vypočtené hodnoty pro průraz na deskách kondenzátoru}
\label{kon}
\end{table}
\begin{figure}
\begin{center}
\label{amplituda}
\includegraphics [width=150mm] {pruraz_kondenzator.png}
\caption{Naměřené hodnoty síly působící na desky v závislosti na jejich vzdálenosti}
\end{center}
\end{figure}
\subsubsection{Průraz na jiskřišti}
Měření probíhalo za teploty 25,5 $^\circ$C A tlaku 764 Torr (101858 Pa).
\begin{table}[htbp]
begin{center}
\caption{Naměřené a vypočtené hodnoty pro průraz na jiskřišti}
\begin{tabular}{|c|c|c|c|}
\hline
s [cm] & U [kV] & F [N] & f (s) \\ \hline
2,00 & 7,84 & 0,01 & 947,15 \\
3,00 & 11,48 & 0,01 & 970,25 \\
4,00 & 14,52 & 0,02 & 1022,82 \\
5,00 & 17,78 & 0,04 & 1044,11 \\
6,00 & 20,54 & 0,05 & 1084,57 \\
7,00 & 23,53 & 0,06 & 1104,54 \\
8,00 & 26,51 & 0,08 & 1120,43 \\
9,00 & 28,74 & 0,09 & 1162,69 \\
10,00 & 30,8 & 0,11 & 1205,47 \\ \hline
\end{tabular}
\label{}
\end{center}
\end{table}
Nalezená funkce \[f(s) = 31.1 \times d + 886.9 \]
\subsection{Mapování elektrického pole}
Mapování elektrického pole bylo realizováno měřením potenciálu ve skleněné kádince naplněné vodou ve které byly umístěny elektrody v několika konfiguracích. Rozložení pak bylo měřeno ve čtvercové síti s rastrem 5mm.
\begin{figure}
\begin{center}
\label{amplituda}
\includegraphics [width=150mm] {./data_rozlozeni/kondenzator.png}
\caption{Rozložení pole pro případ dvou paralelních elektrod opačných potenciálů}
\end{center}
\end{figure}
\begin{figure}
\begin{center}
\label{amplituda}
\includegraphics [width=150mm] {./data_rozlozeni/opacneelektrody.png}
\caption{Rozložení pole pro případ dvou bodových elektrod opačných potenciálů}
\end{center}
\end{figure}
\begin{figure}
\begin{center}
\label{amplituda}
\includegraphics [width=150mm] {./data_rozlozeni/stejneelektrody.png}
\caption{Rozložení pole pro případ dvou bodových elektrod stejného potenciálu}
\end{center}
\end{figure}
\section{Diskuse}
\begin{itemize}
\item Zopakovali jsme si odvození kapacity deskového kondenzátoru
\item Zjistili jsme, že deskový kondenzátor o ploše 1m$^2$ nabitý na 100kV začíná být podle norem nebezpečný při vzdálenosti desek menší, než 1cm. Vzhledem k rozměrům kondenzátoru v praktiku a elektrické pevnosti vzduchu, není reálně možné bezpečnostní normu překročit.
\item Změřili jsme silové působení desek kondenzátoru při mezním průrazném napětí, avšak naměřený výsledek se příliš neshoduje s předpokládanou konstantní přitažlivou silou 0,9 N, které jsme při měření nedosáhli. Navíc měřená síla v průběhu měření klesala i přes to, že by měla být v tomto rozsahu nezávislá na vzdálenosti desek. Pravděpodobně to bylo způsobeno zbytkovou ionizací prostředí okolo kondenzátoru, kterou se nepodařilo odstranit ani výměnou vzduchu.
\item Podařilo se určit neznámou funkci f(s) jako \[f(s) = 31.1 \times d + 886.9 \].
\item Zmapovali jsme pole v hrubé síti mezi elektrodami různých konfigurací.
\end{itemize}
\section{Závěr}
Měřením byla úspěšně potvrzena většina teoretických předpokladů, kromě předpokládané konstantní závislosti působící síly mezi deskami kondenzátoru s napěťovým omezením daným elektrickou pevností dielektrika.
\begin{thebibliography}{10}
http://praktika.fjfi.cvut.cz/Kondenzator/ cit 5.5.2011
\end{thebibliography}
\end{document}