1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla

Samankaltaiset tiedostot
PERMITTIIVISYYS. 1 Johdanto. 1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla . (1) , (2) (3) . (4) Permittiivisyys

Sähköstatiikan laskuissa useat kaavat yksinkertaistuvat hieman, jos vakio C kirjoitetaan muotoon

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan. cos sin.

TOROIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto

SOLENOIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

Palkin taivutus. 1 Johdanto. missä S on. määritetään taivuttamalla. man avulla.

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto. 2 Teoreettista taustaa

33 SOLENOIDIN JA TOROIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

Kuva 1. Fotodiodi (vasemmalla) ja tässä työssä käytetty mittauskytkentä (oikealla).

TASAVIRTAPIIRI - VASTAUSLOMAKE

Työ 31A VAIHTOVIRTAPIIRI. Pari 1. Jonas Alam Antti Tenhiälä

HALLIN ILMIÖ 1. TUTKITTAVAN ILMIÖN TEORIAA

PUOLIJOHTEEN SÄHKÖNJOHTAVUUS

Termodynamiikan mukaan ideaalikaasujen molaaristen lämpökapasiteettien erotus on yleinen kaasuvakio R

FY6 - Soveltavat tehtävät

Kuva 1. Kaaviokuva mittausjärjestelystä. Laserista L tuleva valonsäde kulkee rakojärjestelmän R läpi ja muodostaa diffraktiokuvion varjostimelle V.

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

Kuva 1. Langan päässä oleva massa m vetää pudotessaan lankaan kiinnitettyä M-massaista vaunua.

Työ h. SÄHKÖVIRRAN ETENEMINEN

Muuntajan toiminnasta löytyy tietoja tämän työohjeen teoriaselostuksen lisäksi esimerkiksi viitteistä [1] - [4].

Vastksen ja diodin virta-jännite-ominaiskäyrät sekä valodiodi

FYSP105 / K3 RC-SUODATTIMET

Nimi: Muiden ryhmäläisten nimet:

FYSA220/K2 (FYS222/K2) Vaimeneva värähtely

Perusopintojen Laboratoriotöiden Työselostus 1

LÄMMÖNJOHTAVUUS. 1 Johdanto , (1) Lämmönjohtavuus

LABORAATIO 1, YLEISMITTARI JA PERUSMITTAUKSET

Pynnönen Opiskelija: Tarkastaja: Arvio:

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/7

Operaatiovahvistimen vahvistus voidaan säätää halutun suuruiseksi käyttämällä takaisinkytkentävastusta.

Kuva 1. Ohmin lain kytkentäkaavio. DC; 0 6 V.

DIODIN OMINAISKÄYRÄ TRANSISTORIN OMINAISKÄYRÄSTÖ

+ = +, (1) + = +. (2)

Kuva 1. Michelsonin interferometrin periaate.

IMPEDANSSIMITTAUKSIA. 1 Työn tavoitteet

FYS206/5 Vaihtovirtakomponentit

Sähköopin mittauksia 1

FYSA220/1 (FYS222/1) HALLIN ILMIÖ

Tämän sybolin esiintyessä, käyttäjän tulee lukea käyttöohje, josta lisätietoa. Tämä symboli normaalikäytössä indikoi vaarallisesta mittausjännitteestä

FYSP1082 / K4 HELMHOLTZIN KELAT

VAIHTOVIRTAPIIRI. 1 Työn tavoitteet

ELEKTRONIN LIIKE MAGNEETTIKENTÄSSÄ

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

2. Sähköisiä perusmittauksia. Yleismittari.

Johdanto. 1 Teoriaa. 1.1 Sähkönjohtimen aiheuttama magneettikenttä

Kiihtyvä liike. 1 Johdanto. vaunua. ja vaunulle. ntti jätetään. punnukselle. Punnus: Vaunu: hyödyntäenn määritetään. 2 Tavoitteett

Oikeanlaisten virtapihtien valinta Aloita vastaamalla seuraaviin kysymyksiin löytääksesi oikeantyyppiset virtapihdit haluamaasi käyttökohteeseen.

VASTUSMITTAUKSIA. 1 Työn tavoitteet

MITTALAITTEIDEN OMINAISUUKSIA ja RAJOITUKSIA

Aineopintojen laboratoriotyöt 1. Veden ominaislämpökapasiteetti

Tämä symboli ilmaisee, että laite on suojattu kokonaan kaksoiseristyksellä tai vahvistetulla eristyksellä.

Työn tavoitteita. 1 Teoriaa

KAASULÄMPÖMITTARI. 1. Työn tavoitteet. 2. Työn taustaa

Sähköstatiikka ja magnetismi Kondensaattorit ja kapasitanssi

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I

Kuva 1. Vastus (R), kondensaattori (C) ja käämi (L). Sinimuotoinen vaihtojännite

Tämä symboli ilmaisee, että laite on suojattu kokonaan kaksoiseristyksellä tai vahvistetulla eristyksellä.

Kaikki kytkennät tehdään kytkentäalustalle (bimboard) ellei muuta mainita.

4B. Tasasuuntauksen tutkiminen oskilloskoopilla.

LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

Virhearviointi. Fysiikassa on tärkeää tietää tulosten tarkkuus.

MITTAUSTEKNIIKAN LABORATORIOTYÖOHJE TYÖ 4. LÄMPÖTILA ja PAINELÄHETTIMEN KALIBROINTI FLUKE 702 PROSESSIKALIBRAATTORILLA

7. Resistanssi ja Ohmin laki

Luku 5. Johteet. 5.1 Johteiden vaikutus sähkökenttään E = 0 E = 0 E = 0

ja J r ovat vektoreita ja että niiden tulee olla otettu saman pyörimisakselin suhteen. Massapisteen hitausmomentti on

EVTEK/ Antti Piironen & Pekka Valtonen 1/6 TM01S/ Elektroniikan komponentit ja järjestelmät Laboraatiot, Syksy 2003

Taitaja2004/Elektroniikka Semifinaali

c) Määritä paraabelin yhtälö, kun tiedetään, että sen huippu on y-akselilla korkeudella 6 ja sen nollakohdat ovat x-akselin kohdissa x=-2 ja x=2.

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Fy06 Koe ratkaisut Kuopion Lyseon lukio (KK) 5/13

OPERAATIOVAHVISTIMET 2. Operaatiovahvistimen ominaisuuksia

Pynnönen Opiskelija: Tarkastaja: Arvio:

OSKILLOSKOOPIN SYVENTÄVÄ KÄYTTÖ

Ohjeita fysiikan ylioppilaskirjoituksiin

ELEC-C6001 Sähköenergiatekniikka, laskuharjoitukset oppikirjan lukuun 10 liittyen.

Kone- ja rakentamistekniikan laboratoriotyöt KON-C3004. Koesuunnitelma: Paineen mittaus venymäliuskojen avulla. Ryhmä C

Työ 15B, Lämpösäteily

TDC-CD TDC-ANTURI RMS-CD MITTAUSJÄRJESTELMÄLLE KÄSIKIRJA. TDC-CD_Fin.doc / BL 1(5)

83950 Tietoliikennetekniikan työkurssi Monitorointivastaanottimen perusmittaukset

Taajuusmittauskilpailu Hertsien herruus Mittausraportti

Jakso 10. Tasavirrat. Tasaantumisilmiöt. Vaihtovirrat. Sarja- ja lineaaripiirit. Maxwellin yhtälöt. (Kuuluu kurssiin Sähkömagnetismi, LuTK)

KÄYTTÖOPAS. PIHTIVIRTAMITTARI AC/DC Malli Kaise E

Menetelmäohjeet. Muuttuvan magneettikentän tutkiminen

TYÖ 2: OPERAATIOVAHVISTIMEN PERUSKYTKENTÖJÄ

1. Tasavirta. Virtapiirin komponenttien piirrosmerkit. Virtapiiriä havainnollistetaan kytkentäkaaviolla

R = Ω. Jännite R:n yli suhteessa sisäänmenojännitteeseen on tällöin jännitteenjako = 1

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

Eksimeerin muodostuminen

Pynnönen Opiskelija: Tarkastaja: Arvio:

YLEISMITTAREIDEN KÄYTTÄMINEN

YLEISMITTAREIDEN KÄYTTÄMINEN

1/6 TEKNIIKKA JA LIIKENNE FYSIIKAN LABORATORIO V

A. SMD-kytkennän kokoaminen ja mittaaminen

Työ 21 Valon käyttäytyminen rajapinnoilla. Työvuoro 40 pari 1

LABORATORIOTYÖ 1 MITTAUSVAHVISTIMET

Fysiikan laboratoriotyöt 1, työ nro: 3, Vastuksen ja diodin virta-jänniteominaiskäyrät

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

KÄYTTÖOPAS DIGIOHM 40

Transkriptio:

PERMITTIIVISYYS Johdanto Tarkastellaan tasokondensaattoria, joka koostuu kahdesta yhdensuuntaisesta metallilevystä. Siirretään varausta levystä toiseen, jolloin levyissä on varaukset +Q ja Q ja levyjen välillä on tästä johtuen potentiaaliero V. Kondensaattorin kapasitanssi C määritellään yhtälöllä C = Q V. () Levyjen välissä on tasainen sähkökenttä, jonka suuruus on E = V d, (2) missä d on levyjen välinen etäisyys. Jos levyjen pintavaraustiheys on σ, on levyjen välillä Gaussin lain mukaan sähkökenttä E = σ/ε 0. Yhtälö (2) antaa nyt V = Ed = σd ε 0. (3) Jos metallilevyjen pinta-ala on A, on levyssä oleva kokonaisvaraus Q = σa. Kondensaattorin kapasitanssiksi saadaan nyt C = Q V = σa = ε 0A. (4) σd/ε 0 d Yhtälön (4) antama kapasitanssi ei ole aivan tarkka, sillä yhtälössä (2) on oletettu levyjen välille tasainen sähkökenttä. Tämä arvio ei päde levyjen reunoilla, joilla sähkökentän vuoviivat kaareutuvat. Tämän työn puitteissa kuitenkin voidaan kentän kaareutuminen jättää huomioimatta.. Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla Laboratoriossa sähkövakion mittaamiseen käytetään kuvan mukaista kytkentää. Signaaligeneraattori G värähtelee taajuudella f ja sen napajännite on U 2. Tämä jännite on kytketty vastuksen R kautta kondensaattorin C napojen välille. Kuva. Työssä käytettävät mittauskytkennät: a) Vastuksen yli olevan jännitteen mittaus ja b) lähdejännitteen mittaaminen.

Kondensaattorin yli vaikuttava sinimuotoinen jännite U C = U 0 sin(2πft) saa aikaan vaihtovirran i C = C du C dt = 2πfCU 0 cos(2πft). (5) Käyttämällä tehollisarvoja yhtälö (5) muuttuu muotoon I C = 2πfCU C. (6) Kondensaattorin yli oleva jännite U C voitaisiin periaatteessa mitata kytkemällä jännitemittari (tässä työssä oskilloskooppi) kondensaattorin napoihin. Käytännössä jännitemittarilla on kuitenkin oma kapasitanssinsa, joka samalla kytkettäisiin rinnan tutkittavan kapasitanssin kanssa ja mittaustulos olisi siten kahden rinnakkain kytketyn kondensaattorin yli oleva jännite. Tämän vuoksi sekä virta I C että jännite U C mitataan epäsuorasti. Vastuksen R päiden välinen jännite U mitataan kytkemällä jännitemittari vastuksen päiden välille, kuten kuvassa a. Jos jännitemittarin sisäinen vastus on suuri vastukseen R verrattuna, virta I C on I C = U R. (7) Generaattorin antama ulostulojännite U 2 mitataan kytkemällä jännitemittari generaattorin napojen välille, kuten kuvassa b. Koska U C :n ja U :n välillä on π/2:n suuruinen vaihe-ero (yhtälöt (5)-(7)), saadaan kondensaattorin jännite laskettua yhtälöstä U C = U 2 2 U 2. (8) Kapasitanssi voidaan nyt laskea yhtälöistä (6)-(8): C = U. (9) 2πfR U 2 2 U2 Vaikka kondensaattorin yli vaikuttavan jännitteen mittaus onkin suoritettu epäsuorasti, vielä yhtälöllä (9) laskettu kapasitanssikaan ei ole kondensaattorin kapasitanssi, vaan siihen sisältyy kondensaattorin rinnalla vaikuttava mittajohtojen aiheuttama hajakapasitanssi. Mittajohdoista aiheutuvan hajakapasitanssin erottamiseksi mitataan kapasitanssi levyjen välisen ilmaraon funktiona. Tällöin kondensaattorin kapasitanssi muuttuu hajakapasitanssin pysyessä vakiona. Yhtälöä (4) käyttäen saadaan siis C = C haja + Aε. (0) 0 d Koska U U 2, niin U 2 2 U 2 U 2 ja yhtälöistä (9) ja (0) saadaan U = 2πfRU 2 Aε + C 0 d haja () Piirtämällä mitattu jännite U ilmavälin käänteisarvon funktiona saadaan suora, jonka kulmakertoimesta saadaan määritettyä sähkövakio ε 0 ja suoran ja y-akselin leikkauspisteestä hajakapasitanssi C haja. Levyjen välissä olevan ilman permittiivisyys on vain 0,5 tyhjiön permittiivisyyttä suurempi, joten mittausta voidaan varsin tarkasti pitää tyhjiön permittiivisyyden mittauksena. 2

.2 Suhteellisen permittiivisyyden mittaaminen Mikäli pistevarausten välillä on eristävää väliainetta, väliaineen polarisoituminen varjostaa varausten välillä vallitsevaa sähkökenttää. Useimmissa väliaineissa polarisaation aiheuttama sähkökenttä on yhdensuuntainen pistevarausten aiheuttaman sähkökentän kanssa, ja lisäksi polarisaatiokentän suuruus on suoraan verrannollinen ulkoiseen sähkökenttään. Tällöin väliaineelle voidaan määritellä tyhjiön permittiivisyyden avulla laaduton suhteellinen permittiivisyys ε r : ε r = ε ε 0, (2) missä materiaalivakio ε (väliaineen permittiivisyys) on kullekin aineelle tunnusomainen. Coulombin laki soveltuu käytettäväksi väliaineessa olevien varausten välisen voiman laskemiseen, jos tyhjiön permittiivisyys ε 0 korvataan väliaineen permittiivisyydellä ε. Tasokondensaattorin avulla voidaan mitata myös suhteellisia permittiivisyyksiä asettamalla mitattava aine kondensaattorilevyjen väliin. Käytännössä kyseeseen tulevat vain kiinteät aineet, joista voidaan valmistaa suuria tasapaksuja levyjä. Näytelevyn tulee olla kondensaattorilevyjä suurempi. Olkoon tutkittavan levyn paksuus d ja sen permittiivisyys ε = ε 0 ε r. Tasokondensaattorin levyjen välimatka olkoon d 0, jolloin kapasitanssi on C 0 = ε 0A d 0. (3) Kun tutkittava levy asetetaan kondensaattorilevyjen väliin niiden kanssa yhdensuuntaisesti (d < d 0 ), sama sähkövuo kulkee sekä tutkittavan levyn että ilmarakojen kautta. Kondensaattorin kapasitanssi on nyt C = A d0d ε0 +d ε = ε 0A. (4) d 0 d+ d εr Määrittämällä kapasitanssit C 0 ja C edellisen luvun yhtälöstä (9) voidaan suhteellinen permittiivisyys laskea kaavoista (3) ja (4): ε r = d d 0 C0 C + d d0. (5) Koska ε r on ykkösen suuruusluokkaa oleva luku, tämä mittausmenetelmä ei ole kovin tarkka, ellei d 0 d d, ts. d d 0, jolloin tutkittava levy puristetaan kondensaattorilevyjen väliin. Suhteellinen permittiivisyys on tällöin ε r = C C 0. (6) Huomioimalla mittajohtojen hajakapasitanssi saadaan suhteelliseksi permittiivisyydeksi ε r = CC haja C 0 C haja. (7) 3

2 Tavoitteet Työn tehtyään opiskelija on harjoitellut oskilloskoopin käyttöä osaa selittää, miten levyjen välissä oleva aine ja levyjen pinta-ala vaikuttavat levykondensaattorin kapasitanssiin on kokeellisesti määrittänyt muovilevyn suhteellisen permittiivisyyden osaa esittää mittaustulokset kuvaajan avulla ja sovittaa suoran pisteistöön 3 Laitteisto Kuva 2. Permittiivisyystyössä käytettävä mittauslaitteisto. Työn kytkentäkaavio on esitetty kuvassa ja työssä käytettävä laitteisto kuvassa 2. Levykondensaattorin kapasitanssia mitataan kytkemällä se sarjaan vastuksen kanssa ja mittaamalla vastuksen yli tapahtuvaa jännitehäviotä, kun piiriin syötetään signaaligeneraattorista sinimuotoista vaihtojännitettä. Jännitettä mitataan oskilloskoopilla. Tarvittavat välineet: - levykondensaattori (levyjen halkaisija 256 mm ± mm) - vastus, R = 3,9 kω ± 0, kω - muovilevy - signaaligeneraattori - oskilloskooppi 4

4 Esitehtävät Tutustu työhön liittyvään teoriaan haluamastasi fysiikan oppikirjasta esim. [ 3], lue työohje läpi ja vastaa alla oleviin kysymyksiin vastauslomakkeeseen.. Mitä kuvaa väliaineelle tyypillinen suhteellinen permittiivisyys? 2. Työssä tutkitaan tyhjiön permittiivisyyttä levykondensaattorilla, jonka levyjen välissä on ilmaa. Kuinka suuren virheen tulokseen ilma aiheuttaa? 3. Työssä mitataan kondensaattorin kanssa sarjassa olevan vastuksen yli tapahtuvaa jännitehäviötä. Tuleeko jännitemittarin sisäisen vastuksen olla suuri vai pieni? 4. Levykondensaattorin kapasitanssi on kääntäen verrannollinen levyjen väliseen etäisyyteen d ja suoraan verrannollinen kuvan 2 mukaiseen jännitteeseen U. Miten mittauspisteet d kannattaa valita, jotta suoran sovittaminen (/d,u )-koordinaatistoon on helpointa? 5 Mittaukset Kaikki mittaustulokset ja kysymysten vastaukset kirjataan vastauslomakkeelle. On suositeltavaa käyttää lyijykynää. Vastauslomake palautetaan lopuksi assistentille. Pyydä assistenttia tarkistamaan kytkentä ennen kuin kytket laitteisiin virrat! HUOM! Älä liikuta johtimia mittausten aikana, sillä liikuttelu muuttaa niiden kapasitanssia! 5. Tyhjiön permittiivisyyden ε 0 määrittäminen. Kytke laitteet kuvan b mukaisesti. 2. Aseta signaaligeneraattori tuottamaan siniaaltoa ja aseta taajuudeksi 0 khz. Säädä amplitudi maksimiinsa. 3. Mittaa signaaligeneraattorin ulostulojännite U 2 oskilloskoopin näytöltä. Kirjaa lukema vastauslomakkeeseen. 4. Muuta kytkentä kuvan a mukaiseksi. 5. Mittaa vastuksen yli tapahtuvaa jännitehäviötä U kymmenellä levyjen välisellä etäisyydellä d. Yhtälön (4) mukaan kondensaattorin kapasitanssi on kääntäen verrannollinen levyjen väliseen etäisyyteen. Ota tämä huomioon ja valitse n. 0 mittauspistettä sopivasti väliltä 3 70 mm. Levykondensaattorin levyjen välistä välimatkaa säädetään avaamalla mitta-asteikon vieressä oleva lukitusruuvi ja liu uttamalla säädettävää kondensaattorilevyä. Paikan hienosäätö tapahtuu tämän jälkeen kiristämällä lukitusruuvi ja säätämällä asteikon päässä olevaa suurta säätöruuvia. Kirjaa tulokset vastauslomakkeen taulukkoon. 6. Tee hypoteesi: Jos kosket kädelläsi kondensaattorilevyihin, miten U muuttuu, jos a) kosket samalla kädellä molempiin levyihin tai jos b) kosket vain toiseen kondensaattorilevyyn? 7. Testaa edellä tekemääsi hypoteesiä: Kirjoita havaintosi vastauslomakkeelle! Jos havaintosi poikkesivat hypoteesistä, niin pohdi miksi. 5.2 Muovilevyn suhteellinen permittiivisyys. Aseta muovilevy kondensaattorilevyjen väliin ja ruuvaa kondensaattorilevyt kiinni muoviin. Kirjaa vastauslomakkeelle muovilevyn paksuus d levykondensaattorin asteikolta ja jännite U. 2. Poista muovilevy kondensaattorilevyjen välistä ja aseta kondensaattorilevyt samalle etäisyydelle d kuin kohdassa. Merkitse jännite U vastauslomakkeeseen. 5

3. Tarkistuta tulokset assistentilla ennen kytkennän purkamista. Katkaise sitten virrat laitteista ja pura kytkentä. Irrota pistokkeet pistorasioista. 6 Tulosten käsittely Kirjoita tulokset vastauslomakkeeseen. Liitä mahdolliset erilliselle paperille tekemäsi laskut, sekä kuvaajat vastauslomakkeeseen. 6. Tyhjiön permittiivisyys. Laske etäisyyden käänteisarvot /d vastauslomakkeen taulukkoon. 2. Piirrä jännite U etäisyyden käänteisarvon /d funktiona. Yhtälön () mukaan pisteiden tulisi osua suoralle. Sovita pisteistöön suora ja määritä sille kulmakerroin virheineen. Määritä myös se kohta, jossa suora leikkaa y-akselin. 3. Käyttäen edellisen kohdan tuloksia määritä tyhjiön permittiivisyys ε 0 ja hajakapasitanssi C haja ja niille virherajat. 6.2 Muovin suhteellinen permittiivisyys. Laske muovilevyn suhteellinen permittiivisyys käyttäen yhtälöitä (9) ja (6). 7 Pohdittavaa. Vertaa muovilevyn suhteelliselle permittiivisyydelle ja tyhjiön permittiivisyydelle saamiasi tuloksia kirjallisuusarvoihin? Täsmäävätkö arvot? 2. Mitä systemaattisen virheen lähteitä työssä esiintyy? Millä tavalla parantaisit mittaustarkkuutta? Lähteet [] D.C. Giancoli, Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics 4 th edition, International edition, Pearson Education, Inc, 2009. [2] Hugh Young, Roger Freedman, A. Lewis Ford: University Physics with Modern Physics. International Edition. 3. painos. Pearson Education, 20. [3] Halliday, Resnick, Walker, Fundamentals of Physics Extended, Extended 9 th edition, International Student Version, Wiley & Sons, Inc., 20. 6