آزمایش تعیین ظرفیت خازن کروی منزوی و تعیین ظرفیت خازن کروی در مقابل یک صفحه رسانا

آزمایش تعیین  ظرفیت خازن کروی منزوی و تعیین ظرفیت خازن کروی در مقابل یک صفحه رسانا :

تئوری آزمایش :

هر رسانا مقداری بار الکتریکی در روی خود دارد که مقدار این بار متناسب است با اختلاف پتانسیل بین این رسانا در حالت عایق‌ بندی شده در فضای آزاد و یک نقطه مرجع در بی نهایت. یعنی رابطه زیر برقرار است :

q = C.V

ثابت تناسب C ، ظرفیت جسم باردرا نامیده می‌شود. مثلا ظرفیت یک کره رسانا به شعاع R در فضای آزاد عبارت است از :

                C = کولن

که  ضریب گذردهی الکتریکی خلا است. پس می‌توان گفت که ظرفیت یک کره با شعاع آن رابطه خطی دارد. حال وقتی یک کره را در نزدیکی صفحه فلزی متصل به زمین قرار دهیم از آنجایی که بارهای مخالف بار کره در روی صفحه رسانا وجود دارند، باعث می‌شود که بار همنام کره روی آن القا شود و این امر باعث کاهش اختلاف پتانسیل الکتریکی می‌شود که این امر متناسب با فاصله کره با صفحه است. به طوری که هر چقدر فاصله کره از صفحه کمتر شود، این اثر بیشتر می‌شود. یعنی :

شرح آزمایش :

آزمایش اول : وسایل مورد نیاز برای انجام این آزمایش عبارتند از : کره‌های رسانا با پایه‌‌های عایق در شعاع‌های 5/2 و 3 و 5/3 سانتی متر، منبع تغذیه ولتاژ قوی ( بر حسب KV ) با کابل فشار قوی مربوطه، الکتروآمپلی فایر، فنجان فارادی همراه با فیش اتصال، خازن به ظرفیت nF 10، میله رسانا، پایه، ولت متر و سیم‌های رابط.

برای انجام این آزمایش ابتدا فنجان فارادی را با تماس دادن میله رسانای اتصال به زمین با آن از بار الکتریکی خالی کردیم تا عقربه ولت متر روی صفر بایستد. سپس ولتاژ منبع تغذیه را روی KV 1 تنظیم کردیم. با گرفتن قسمت عایق کره‌ها، آن‌‌ها را با کابل فشار قوی تماس داده و باردار کردیم. سپس آن‌ها را یکی یکی با قسمت درون فنجان فارادی تماس دادیم تا تمام بار آن‌ها خالی شود. ( چون بار الکتریکی روی سطح خارجی رسانا توزیع می‌شود ) سپس عدد ظاهر شده روی ولت متر را که از اختلاف پتانسیل بین پایه‌های خازن nF 10 ناشی می‌شود، اندازه گرفتیم و ضربدر ظرفیت خازن کردیم تا مقدار بار آن ( که همان باری است که کره‌ها به مدار داده‌اند ) را به دست آوریم. این اعداد را برای کره‌های با شعاع 5/2 و 3 و 5/3 اندازه گرفته و یادداشت کردیم. سپس ولتاژ منبع را KV 1 اضافه کرده و باز این کار را تکرار کردیم و این عمل را تا ولتاژ KV 5  تکرار کردیم. سپس نمودار‌های مربوط به هر کره را رسم کرده و با به دست آوردن شیب این نمودار‌‌ها، ظرفیت هر کره را محاسبه کرده و نمودار مربوط به آن را رسم کردیم. سپس با استفاده از این نمودار مقدار ضریب گذردهی الکتریکی خلا ( ) را محاسبه کردیم.

آزمایش دوم : در این آزمایش، ابتدا یک صفحه فلزی رسانای cm50×50 را به زمین وصل کرده و سپس کره با شعاع cm5/3 را روی پایه رسانا وصل کردیم. آن را از بار خالی کرده و فنجان فارادی و مدار آن را هم از بار خالی می‌کنیم. ابتدا ولتاژ منبع تغذیه را روی KV 1 تنظیم کردیم و کره را در فاصله 5 سانتی متری ( از سطح کره ) با صفحه رسانا قرار دادیم. سپس کره را در این فاصله ( با ثابت نگه داشتن فاصله ) باردار کردیم و با تماس دادن آن با قسمت داخلی فنجان فارادی، بار آن را اندازه گیری کردیم. سپس KV 1 به ولتاژ منبع تغذیه افزوده و دوباره کار قبلی را انجام دادیم. و این کار را تا KV 5 تکرار کردیم. سپس نمودار این تغییرات را بر حسب تغییر ولتاژ رسم کردیم. بعد از آن، این بار کره را در فاصله cm 2 از صفحه قرار داده آن را باردار کردیم و بار آن را با فنجان فارادی اندازه گرفتیم. سپس فاصله کره از صفحه را cm 2 زیاد کرده و دوباره ظرفیت آن را اندازه گرفتیم. ( با ثابت نگه داشتن ولتاژ منبع تغذیه روی KV 5 ) و این کار را تا فاصله cm 20 تکرار کردیم و نتایج را یادداشت کردیم. سپس در هر حالت ظرفیت خازن را اندازه گیری کرده و نمودار تغییرات آن را برحسب فاصله رسم کردیم. این نمودار نشان می‌دهد که مقدار ظرفیت با فاصله نسبت عکس داشته و با افزایش فاصله کاهش می‌یابد.