 |
III.Порядок выполнения работы.
|
|
|
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.3
«ИЗУЧЕНИЕ РЕЛАКСАЦИОНЫХ КОЛЕБАНИЙ»
Цель работы: снятие вольтамперной характеристики газонаполненной лампы и изучение релаксационных колебаний.
I.Методика измерений.
Газы в естественном состоянии состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, т.е. не содержат свободных зарядов и поэтому не проводят электрический ток. Проводить они могут только если часть молекул ионизируется – расщепляется на положительные и отрицательные ионы. Обычно происходит расщепление на одновалентный положительно заряженный ион и электрон. Ионизация может происходить под влиянием различных воздействий на газ, например, нагрева, космических лучей, и др. Наряду с процессом ионизации в газе происходит и обратный процесс – рекомбинация, т.е. воссоединение положительных и отрицательных ионов в нейтральный атом. Если газ, находящийся под действием внешнего ионизатора, заключен в колбу с впаянными в нее электродами (“лампа”), то при подаче на электроды напряжения через газ потечет ток, который называют газовым разрядом. В этом случае электропроводность газа создается за счет внешнего ионизатора, и ток, возникающий в нем, называется несамостоятельным разрядом. С прекращением действия внешнего ионизатора такой разряд прекращается. Электрический ток в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Плотность тока в газе
(1)
Здесь 
и 
– подвижности положительного 
и отрицательного 
зарядов (подвижность – скорость упорядоченного движения заряда при напряженности электрического поля, равной единице); n – концентрация зарядов, Е напряженность электрического поля.
|
|
|
Рис. 1
На рис. 1 показана вольт–амперная характеристика газового разряда в лампе. При малых напряжениях на электродах лампы (участок 1 на рис.1) ионы и электроны под действием сил со стороны электрического поля Е будут двигаться к противоположным электродам лампы, а сила тока будет пропорциональна напряженности электрического поля (разности потенциалов) в соответствии с законом Ома.
С увеличением разности потенциалов (участок 2) линейная зависимость нарушается. Это связано с тем, что под действием электрического поля значительная часть ионов и электронов достигает электродов. Начиная с некоторого значения напряжения (участок 3). ток остается неизменным с увеличением напряжения (iн – ток насыщения). Это объясняется тем, что все заряды, возникшие в газе под действием внешнего ионизатора, достигают электродов лампы, не успевая рекомбинировать. Поэтому при неизменной интенсивности ионизации не происходит дальнейшего роста тока при увеличении напряжения.
Газовый разряд, происходящий на участках 1, 2 и 3 является несамостоятельным газовым разрядом. При дальнейшем увеличении напряжения (участок 4) происходит резкое увеличение тока. Это объясняется ударной ионизацией: электроны, возникшие в газе за счет внешнего ионизатора, во время своего движения к аноду под действием электрического поля приобретают энергию, достаточную для ионизации нейтральных молекул газа при столкновении с ними.
Но переход от несамостоятельного разряда к самостоятельному становится возможным лишь при таком напряжении между электродами, когда положительные ионы также приобретают энергию, достаточную для ионизации молекул газа. В этом случае внешний ионизатор не играет существенной роли в осуществлении газового разряда, так как число создаваемых им первоначальных ионов мало по сравнению с числом вторичных ионов и прекращение действия ионизатора не влияет на протекание разряда. Опыт показывает, что кроме того наблюдается выбивание ионами электронов с поверхности катода.
|
|
|
Повышая напряжение на электродах, можно возбудить все эти процессы и осуществить переход от несамостоятельного разряда к самостоятельному. Этот переход называется электрическим пробоем газа, а соответствующее напряжение – напряжением зажигания (Uз). Оно зависит от химической природы газа, материала катода, формы электродов и расстояния между ними, давления газа и наличия в нем примесей.
Существует 4 вида самостоятельного разряда:
1. тлеющий
2. дуговой
3. искровой
4. коронный
В газонаполненной лампе, имеющей два электрода(анод и катод) возникает тлеющий газовый разряд. При небольших напряжениях на лампе ток мал, сопротивление велико, лампа не горит. С ростом напряжения при 
(напряжение зажигания) скачком увеличивается ток до i3, лампа зажигается и её сопротивление уменьшается. При дальнейшем увеличении ток растет по закону близкому к линейному.
Если затем уменьшать напряжение на “горящей” лампе, то при напряжении, равном U З, лампа еще не гаснет. Продолжая уменьшать напряжение, можно увидеть, что лишь при некотором напряжении – напряжении гашения UГ, которое меньше, чем UЗ, лампа “гаснет” и ток iГ скачком резко падает. На этом самостоятельный разряд в лампе прекращается. При дальнейшем возрастании напряжения процесс повторяется. Следует заметить, что для реальной лампы зависимость i = f(u) не является линейной.
Критическое значение энергии конденсатора
. (2)
Оно равно работе, совершаемой при горении лампы.
Зависимость тока от напряжения на лампе 
(вольтамперная характеристика «ВАХ») показана на рисунке 2.
Рис. 2.
Релаксационные колебания - незатухающие, негармонические колебания, возникающие в системе газонаполненная лампа – конденсатор, которая называется релаксационный генератор.
Схема релаксационного генератора показана на рис. 3.
Рис. 3.
При включении источника 
начальное сопротивление незажженной лампы велико, конденсатор заряжается через большое ограничительное сопротивление R=68кОм (
.)Зарядка происходит до 
(напряжению зажигания лампы). Лампа зажигается, её сопротивление резко уменьшается, и конденсатор разряжается через лампу (
). Как только напряжение на конденсаторе уменьшится и станет равно 
(напряжение гашения лампы 
) разряд прекращается, лампа гаснет, сопротивление резко возрастает, ток резко падает конденсатор опять начинает заряжаться через сопротивление R и процесс повторяется, возникают релаксационные колебания (Рис 4).
|
|
|
Рис. 4.
Период колебаний 
; 
- время заряда конденсатора (накопление энергии); 
- время разряда конденсатора (сброса энергии).
Период релаксационных колебаний в генераторе может быть также определен, если наблюдать на осциллографе фигуры Лиссажу (замкнутые линии, получающиеся при сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний). Для этого на одну пару пластин осциллографа подается напряжение с релаксационного генератора, на другую – переменное напряжение известной частоты от звукового генератора.
Отношение частот колебаний можно определить по виду фигуры Лиссажу, оно равно отношению числа пересечений фигуры с прямой, параллельной оси Х и с прямой, параллельной оси Y. На рис. 5 показан вид фигуры Лиссажу для соотношения частот 1:1.
Рис. 5.
и соответственно 
, если 
то 
и т. д.
II. Описание установки.
Рис. 6.
Схема установки для наблюдения релаксационных колебаний.
III.Порядок выполнения работы.
Задание 1.
|
|
|
