Лабораторная работа № 7

 

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЦЕПИ С ГАЗОРАЗРЯДНЫМ ДИОДОМ

 

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучение релаксационных процессов в электрических цепях с конденсаторами и газоразрядным диодом. Ознакомление принципа работы релаксационного лампового генератора пилообразных колебаний.

 

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

 

Если электрическая цепь включает в себя источник постоянного тока и конденсатор, то в такой цепи возможно наблюдение процессов заряда и разряда конденсатора. Принципиальная схема показана на рис. 1.

Эти процессы детально были рассмотрены в лабораторной работе №6, поэтому ограничимся лишь некоторыми замечаниями.

Предположим,что мгновенное значения тока одно и то же во всех поперечных сечениях провода, соединяющего обкладки конденсатора, а мгновенное электрическое поле такое же, как электростатическое при тех же зарядах на обкладках конденсатора. Токи и поля, удовлетворяющие этим условиям, называются квазистати-ческими или квазистационарными.

Рис. 1

 

Условие квазистационарности выполняется в том случае, если

,

где L – длина проводника, соединяющего обкладки конденсатора;

с – скорость света в вакууме;

t – характерное время протекания процессов в электрической цепи.

Приведем зависимость напряжения на конденсаторе от времени, полученную в лаб. работе №6, в 2-х случаях:

при заряде конденсатора

 

, (1)

при разряде конденсатора

 

, (2)

где e – напряжение на конденсаторе в начальный момент времени t =0 (напряжение источника ЭДС);

t = RC – время релаксации.

Эти зависимости представлены на рис. 2.

 

Рис. 2

 

Рассмотрим релаксационные колебания в цепи, содержащей конденсатор и неоновую лампу.

На рис. 3 представлена схема генератора релаксационных колебаний, основанного на использовании RC -цепи.

Генератор работает следующим образом. Конденсатор емкости С, параллельно которому присоединена неоновая лампа НЛ, заряжается от источника ЭДС e через большое сопротивление R.

 

 

Рис. 3

 

Если бы неоновой лампы не было, то напряжение конденсатора U_C увеличивалось бы с течением времени, согласно пунктирной кривой на рис. 4, которая описывается уравнением (1), и стремилось бы асимптотически к ЭДС источника e (U ₀).

Рис. 4

 

При наличии неоновой лампы происходит следующее. Когда напряжение U_C достигает напряжения зажигания U_З, в лампе возникает газовый разряд, и конденсатор начинает быстро разряжаться через лампу, поскольку сопротивление неоновой лампы R_Л при наличии разряда значительно меньше сопротивления R.

Когда U_C уменьшается до значения напряжения гашения разряда U_Г, разряд в лампе прекращается и конденсатор начинает опять заряжаться, а напряжение U_C расти. Затем в определенный момент времени в лампе снова зажигается разряд и описанные процессы повторяются периодически.

График релаксационного процесса приведен на рис. 4.

Очевидно, что период колебаний Т определяется выражением

 

Т = Т ₁+ Т ₂, (3)

где Т ₁ – время заряда, за которое напряжение на конденсаторе изменяется от U_Г до U_З;

Т ₂ – время разряда, за которое напряжение изменяется от U_З до U_Г.

Поскольку R >> R_Л, то Т ₁>> Т ₂, т.к. значения Т ₁ и Т ₂ в первом приближении пропорциональны постоянным времени цепей заряда t ₁= RC и разряда t ₂= R_ЛС, соответственно.

Следовательно, период процесса Т @ Т ₁. Используя уравнение (1), можно получить выражение для периода Т:

. (4)

Роль переключателя, обеспечивающего попеременный заряд и разряд конденсатора, играет газоразрядный диод. Работа газоразрядных (ионных) ламп основана на явлении электрического разряда в газах. Конструктивно ионные лампы представляют собой систему из двух (или более) электродов, размещенных в герметизированном баллоне, заполненном каким-либо инертным газом, водородом или парами ртути.

В зависимости от вида разряда различают лампы с самостоятельным и несамостоятельным разрядами. Испускаемые катодом в результате эмиссии электроны ускоряются электрическим полем до потенциала ионизации. Столкновения электронов с молекулами газов приводят к ионизации молекул. Ускоренные полем положительные ионы бомбардируют катод, вызывая появление новой порции электронов. В том же направлении действует и фотоэффект, обусловленный свечением газового разряда в результате процесса рекомбинации. В баллоне лампы образуется газоразрядная плазма с большой концентрацией электронов и ионов, которые и являются носителями зарядов.

Минимальное значение напряжения между катодом и анодом, при котором происходит образование в лампе газоразрядной плазмы, носит название потенциала зажигания U_З. Прекращение свечения лампы происходит при более низком напряжении, которое называется потенциалом гашения U_Г.

Зависимость тока от напряжения для газоразрядной лампы не подчиняется закону Ома и характеризуется рядом особенностей при малых напряжениях (рис. 5). При напряжениях U < U_З лампа не пропускает тока (не горит). Ток в лампе возникает только в том случае, когда напряжение между электродами лампы достигает напряжения зажигания U_З. При этом величина тока скачком устанавливается равной I ₁, которая при дальнейшем увеличении напряжения U растет по закону, близкому к линейному. При уменьшении напряжения на горящей лампе до U_З лампа еще не гаснет, и сила тока продолжает уменьшаться. Лам-па перестает пропускать ток лишь при напряжении гашения U_Г, которое обычно существен-но ниже U_З. Сила тока при этом скачком падает от значения I ₂ до нуля.

 

Рис. 5

 

Различие напряжений зажигания и гашения дает возможность использовать неоновую лампу для получения электрических колебаний “пилообразного типа”.

 

 

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

 

Принципиальная схема установки показана на рис. 6.

 

 

 

Рис. 6

 

 

Схема состоит из источника постоянного тока ИП, неоновой лампы НЛ, универсального вольтметра V, с пределом измерений напряжения свыше 100 В. Для контроля колебаний,возникающих в цепи, применяется электронный осциллограф ЭО и громкоговоритель ГГ, включенный в цепь через усилитель УС.

Набор конденсаторов различных емкостей и сопротивлений позволяет формировать RC -цепи с разными временами релаксации. Переключатели К₁ и К₃ позволяют изменять значения R и С. Ключом К₂ RC -цепочка подключается в цепь заряда.

 

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

Упражнение 1. СНЯТИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕОНОВОЙ ЛАМПЫ

На вольтметре В7-21 кнопки 1 и 5 установить в нажатом состоянии, кнопки 4 и 6 – в отжатом, установить предел измерений напряжения «200 В».

Переключатель К₁ перевести в положение «измерение U _{ЗАЖИГАНИЯ}». Медленно передвигать регулятор напряжения R₆ до тех пор, пока лампа не загорится. Зафиксировать напряжение зажигания U_З и занести показания в таблицу 1. Определить напряжение гашения U_Г при уменьшении напряжения (движение R₆ в обратную сторону). Занести и эти показания в таблицу 1.

 

Таблица 1

№ п/п U_З, В U_Г, В

 

 

……

 

 

Указанные измерения U_З и U_Г провести не менее трех раз и вычислить средние значения.

Определить погрешности D U_З и D U_Г как абсолютные погрешности:

 

, .

 

После измерений перевести переключатель К₁ в нейтральное положение.

 

 

Таблица 2

 

№ п/п U, B R, Moм С, мкФ Т = t ₁₀/10 Т_РАСЧ

экс

 

 

 

Упражнение 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРИОДА РЕЛАКСА-ЦИОННОГО ПРОЦЕССА С НЕОНОВОЙ ЛАМПОЙ (Случай большого периода колебаний)

Переключатель К₁ перевести в положение «Релаксация». Установить потенциометром R₆ максимальное напряжение. Измерить период колебаний Т при нескольких выбранных значениях R и С, отсчитывая по секундомеру время десяти вспышек неоновой лампы t ₁₀. Числовые значения R _1,2 и С _1–4 указаны на рис. 6. Варианты соединений взять из табл. 3 (выбрать переключателями К₂, К₃).

Рассчитать период Т по формуле (4) и занести в таблицу 2.

 

Таблица 3

Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4

 

К3, 2,2 М К3, 2,2 М К3, 4,4 М К3, 4,4 М

К2, 1 мкФ К2, 2 мкФ К2, 1 мкФ К2, 2 мкФ

 

 

Упражнение 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРИОДА РЕЛАКСА-ЦИОННОГО ПРОЦЕССА С НЕОНОВОЙ ЛАМПОЙ (Случай малого периода колебаний)

Переключатель К₁ остается в положении «Релаксация».

Числовые значения R и С устанавливаются переключателями К₂ и К₃. Их значения указаны в таблице 4.

 

 

Таблица 4

Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4

 

 

К3, 2,2 М К3, 2,2 М К3, 4,4 М К3, 4,4 М

К2, 1 нФ К2, 10 нФ К2, 1 нФ К2, 10 нФ

 

 

Так как параметр Т лежит в диапазоне 1¸30 мс, то измерение периода производится с помощью осциллографа. Звуковой сигнал, создаваемый громкоговорителем, дает представление о частоте следования импульсов (сила звука регулируется).

Определить длительность периода с помощью осциллографа и занести результаты в таблицу 2.

Оценить погрешности определенной экспериментально Т_ЭКС следующим образом

,

где D t – абсолютная погрешность измерений времени колебаний;

t – средняя длительность 10 колебаний.

Оценить величину относительной погрешности Т_РАСЧ по приближенной формуле

,

где t и D t – постоянная времени заряда и ее абсолютная погрешность.

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Каким током заряжается конденсатор: переменным или постоянным?

2. Чему равна энергия заряженного конденсатора?

3. Вывести уравнение зарядки конденсатора.

4. Напишите закон Ома для полной цепи и для участка цепи.

5. Вывести уравнение разрядки конденсатора.

6. Почему время зарядки конденсатора больше времени разряда Т_ЗАР >> Т_РАЗ?

7. Изобразить и объяснить графики зависимости напряжения на конденсаторе во время его заряда и во время разряда.

8. Что такое периодический процесс? Является ли исследуемый процесс зарядки-разрядки конденсатора периодическим?

9. Что означают понятия «эмиссия» и «ионизация»?

10. Откуда в лампе, заполненной нейтральным инертным газом, появляются ионы и электроны?

11. От чего зависит концентрация электронов и ионов в лампе?

12. Что такое рекомбинация?

13. Что такое “самостоятельный” и “несамостоятельный” разряды?

14. Что такое электрическое квазистационарное поле?

15. Что такое плазма?

16. Пользуясь принципиальной схемой установки, объяснить ее работу.

17. Можно ли считать пилообразные колебания напряжения, возникающие в данной работе, периодическим процессом?

18. Что представляет собой генератор электрических колебаний?

19. Что такое газоразрядный диод? Его устройство и принцип действия.

20. Что является источником электронов в лампе?

21. Каким требованиям должен удовлетворять осциллограф, применяемый в экспериментальной установке?

22. Каковы функции вольтметра, применяемого в данной установке?

23. Какие выходные напряжения должен обеспечивать источник постоянного тока?

24. Какие типы конденсаторов могут применяться в данной установке?

25. Чем определяются номиналы емкостей конденсаторов, применяемых в схеме установки?

26. Объяснить, чем режим «измерения U_З» отличается от режима «релаксации».

27. Какими условиями определяются величины напряжений зажигания и гашения? Равны ли они между собой?

28. Объясните ход зависимостей напряжения U (t), тока I (t) и I (U).

29. Почему количество вспышек, отсчитываемых во время измерений, берется равным десяти?

30. Как оценить погрешности измерений?