Контрольные вопросы

1.Опишите процессы колебаний в системе двух связанных механических маятников.

2.В каких случаях колебания маятников происходят с одинаковой частотой?

3.Какой тип колебаний в системе связанных маятников называется симметричной модой? Какую роль играет при этом пружина связи?

4.Какой тип колебаний в системе связанных маятников называется антисимметричной модой?

5.Как возникают биения в системе связанных маятников?

6.Как связаны частоты нормальных мод с частотой биений?

7.Опишите блок схему установки.

8.Как можно связать два электрических контура?

9.Дайте вывод частот нормальных колебаний для системы связанных электрических контуров.

10.Почему частота противофазной моды больше, чем частота синфазной моды колебаний.

10.Опишите метод определения нормальных частот в системе связанных контуров.

11.Как возникают нормальные моды в системе связанных колебательных контуров? Как возникают аналогичные моды в системе связанных маятников?

73

6. ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЛАКСАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ

Лабораторная работа

Цель работы: изучение теории релаксационных колебаний, изучение работы генератора релаксационных колебаний на неоновой лампе, изучение механизмов несамостоятельного и самостоятельного газовых разрядов, наблюдение релаксационных колебаний и измерение их характеристик.

Принадлежности: кассета ФПЭ-12, магазин сопротивлений МС, магазин емкостей МЕ, цифровой вольтметр В7-40, звуковой генератор ГЗ-112/1, электронный осциллограф С1-117/1, источник питания, кабели и соединительные провода.

Релаксационным колебанием называется периодически повторяющийся процесс, состоящий из двух стадий: 1 – медленного накопления энергии системы до определенного критического значения и 2 – последующего быстрого сброса энергии.

Наиболее простой схемой для генерирования электрических релаксационных колебаний является схема, основными элементами которой служат конденсатор и неоновая лампа. Работа схемы основана на различии потенциалов зажигания и гашения газоразрядной лампы. Прежде чем приступить к изучению работы релаксационного генератора на неоновой лампе рассмотрим вкратце основные особенности протекания тока в газах (газовых разрядов).

6.1. Ионизация газов

Газы в нормальном состоянии, в том числе и пары металлов, состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводниками электричества могут быть только ионизированные газы. Помимо нейтральных атомов и молекул в них содержатся электроны, положительные и отрицательные ионы. Ионы в газах могут возникать под действием высоких температур, рентгеновских и ультрафиолетовых лучей, космических лучей. Во всех этих случаях происходит вырывание электронов из электронной оболочки атома или молекулы. Этот процесс называется ионизацией. Освободившиеся электроны могут присоединяться к нейтральным атомам, тогда, кроме положительных, в газе появляются отрицательные ионы.

74

Ионы и свободные электроны делают газ проводником электричества, Впрочем, и в нормальных условиях газы, например воздух, обладают электрической проводимостью, хотя и малой, которая вызвана излучением радиоактивных веществ, а также космическими лучами. Одновременно с ионизацией электроны, положительные и отрицательные ионы соединяются между собой с образованием нейтральных молекул и атомов. Этот процесс называется рекомбинацией. После прекращения действия ионизатора вследствие рекомбинации проводимость газа пропадает.

Ионизация в результате столкновения с быстрой частицей называется ударной ионизацией. Чтобы из нейтрального атома или молекулы удалить электрон, требуется затрата энергии. Минимальное значение такой энергии называется энергией ионизации атома или молекулы. Она численно равна работе, которую надо совершить против сил взаимодействия между вырываемым электроном и остальными частицами атома или молекулы.

Разность потенциалов, которую должна пройти заряженная частица (электрон или одновалентный ион), чтобы приобрести энергию, равную энергии ионизации, называется потенциалом ионизации атома или молекулы:

где е – элементарный заряд; Ai – энергия активации.

Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени.

6.2. Газовые разряды

Процесс прохождения электрического тока через газовую среду называется газовым разрядом. Газы становятся электропроводящими в результате их ионизации. Если электрический разряд в газе происходит только при вызывающем и поддерживающем ионизацию внешнем воздействии, то его называют несамостоятельным разрядом. Электрический разряд в газе, продолжающийся и после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным разрядом.

75

Многообразие условий, определяющих исходное состояние газа (состав, давление и т.д.), внешних воздействий на газ, материалов, формы и расположения электродов, конфигурации возникающего в газе электрического поля приводит к тому, что существует множество видов газовых разрядов. Основные типы самостоятельных разрядов – тлеющий разряд, искровой разряд, коронный разряд, дуговой разряд.

Законы газовых разрядов существенно сложнее, чем законы прохождения тока в металлах, электролитах, полупроводниках. Электрический разряд в газе подчиняется закону Ома лишь при малых напряжениях, поэтому их электрические свойства описывают с помощью вольт-амперных характеристик. На рис. 38 представлена зависимость тока в газе от напряжения между электродами. Внешний ионизатор создает постоянную интенсивность ионизации. Участок ОА соответствует области применимости закона Ома. На участке АВ ток меняется с напряжением нелинейно. Участок ВС соответствует току насыщения, при этом все ионы и электроны, создаваемые внешним ионизатором, достигают электродов.

I D

B C

A

O U

Рис. 38. Вольт-амперная характеристика газового разряда

В точке С и далее на участке CD разряд из несамостоятельного становится самостоятельным. Это явление обусловлено ударной ионизацией и резким возрастанием числа носителей тока в газе.

6.3. Тлеющий разряд в неоновой лампе

Рассмотрим подробнее механизм образования разряда в неоновой лампе. Неоновая лампа представляет собой наполненный неоном стеклянный сосуд с двумя электродами – анодом и катодом, выполненными в виде двух металлических пластин (или пластины и кольца)

76

и расположенными на расстоянии 2–3 мм друг от друга. Баллон заполнен неоном при низком давлении, порядка 2∙103 Па. При некотором напряжении между анодом и катодом разряда еще нет, и в лампе существует линейное распределение напряжения между ее электродами (рис. 39).

Рис. 39. Распределение потенциала между катодом К и анодом А в неоновой лампе: 1, 2 – напряжение меньше напряжения зажигания, линейное распределение потенциала; 3 – напряжение больше напряжения зажигания, распределение потенциала неравномерное, наибольшее падение напряжения наблюдается вблизи катода

С ростом напряжения линейное распределение сохраняется и в том случае, когда потенциал анода достигает значения, при котором начинается ударная ионизация атомов газа электронами (рис. 39). Однако, ударная ионизация, производимая одними только электронами, недостаточна для поддержания самостоятельного разряда.

В самом деле, каждый электрон движется в электрическом поле газоразрядной трубки в направлении от катода к аноду. Поэтому он может ионизировать только те атомы неона, которые лежат ближе к аноду по сравнению с местом начала его собственного движения (порядка длины свободного пробега электрона). Поэтому, если энергии образующихся положительных ионов недостаточно для ударной ионизации атомов или для выбивания электронов из катода, то вблизи катода новые электроны возникать не могут.

При дальнейшем повышении анодного напряжения U электроны приобретают энергию, необходимую для ионизации атомов газа, проходя более короткие расстояния, то есть, ближе к катоду. При повышении напряжения и положительные ионы на длине своего свободно-

77

го пробега набирают энергию, достаточную для ионизации атомов газа. Образуются вторичные электроны и ионы во всем объеме газа, начинается образование электронных и ионных лавин.

Важным условием существования самостоятельного разряда является явление вторичной электронной эмиссии электронов из катода: образовавшиеся в результате ударной ионизации положительные ионы ускоряются электрическим полем и, ударяясь о катод, выбивают из него новые (вторичные) электроны. Возникает явление электрического пробоя газа. Потенциал (потенциал анода относительно катода), при котором возникает разряд называется потенциалом зажигания Uз. По причине неравномерного распределения зарядов между электродами (наибольшая плотность зарядов наблюдается вблизи катода) в лампе устанавливается неравномерное падение напряжения.

Вольт-амперная характеристика неоновой лампы приведена на рис. 40. Лампа начинает проводить ток только при определенной разности потенциалов U > Uз между ее электродами. Если напряжение между электродами меньше напряжения зажигания U < Uз ток через лампу не идет. В этом случае внутреннее сопротивление лампы бесконечно велико.

I

b

Iг с

Uг Uз U

Рис. 40. Вольт-амперная характеристика неоновой лампы: разряд начинается при напряжении равном напряжению зажигания, ток в лампе прекращается скачком при напряжении равном напряжению гашения U = Uг. Напряжение гашения меньше напряжения зажигания: Uг < Uз

При разности потенциалов U = Uз происходит электрический пробой газа, через лампу идет ток. При этом неон светится оранжевым светом, лампа зажигается. При увеличении напряжения ток в лампе растет по прямой а–b. Если уменьшать напряжение, то ток в лампе

78