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 UC 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 UC достигает напряжения зажигания UЗ, в лампе возникает газовый разряд, и конденсатор начинает быстро разряжаться через лампу, поскольку сопротивление неоновой лампы RЛ при наличии разряда значительно меньше сопротивления R.
Когда UC уменьшается до значения напряжения гашения разряда UГ, разряд в лампе прекращается и конденсатор начинает опять заряжаться, а напряжение UC 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 UГ до UЗ;
Т 2 – время разряда, за которое напряжение изменяется от UЗ до UГ.
Поскольку R >> RЛ, 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= RЛС, 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 UЗ. Прекращение свечения лампы происходит при более низком напряжении, которое называется потенциалом гашения UГ.
Зависимость тока от напряжения для газоразрядной лампы не подчиняется закону Ома и характеризуется рядом особенностей при малых напряжениях (рис. 5). При напряжениях U < UЗ лампа не пропускает тока (не горит). Ток в лампе возникает только в том случае, когда напряжение между электродами лампы достигает напряжения зажигания UЗ. 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 UЗ лампа еще не гаснет, и сила тока продолжает уменьшаться. Лам-па перестает пропускать ток лишь при напряжении гашения UГ, которое обычно существен-но ниже UЗ. 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 UЗ и занести показания в таблицу 1. Определить напряжение гашения UГ при уменьшении напряжения (движение R6 в обратную сторону). Занести и эти показания в таблицу 1.
Таблица 1
 |
№ п/п UЗ, В UГ, В
……
Указанные измерения UЗ и UГ провести не менее трех раз и вычислить средние значения.
Определить погрешности D UЗ и D UГ 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 ТРАСЧ
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 ТЭКС следующим образом
,
где D t – абсолютная погрешность измерений времени колебаний;
t – средняя длительность 10 колебаний.
Оценить величину относительной погрешности ТРАСЧ 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 ТЗАР >> ТРАЗ?
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 UЗ» 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?
