уменьшается по прямой b–с, близкой к прямой а–b. После зажигания лампа может гореть уже при более низком напряжении U, гаснет она при некотором напряжении Uг < Uз, называемом напряжением или потенциалом гашения. Сила тока при этом скачком уменьшается до нуля. Самостоятельный разряд прекращается.

6.4. Генератор релаксационных колебаний на неоновой лампе

Различие в потенциалах зажигания Uз и гашения лампы тлеющего разряда позволяет использовать ее в цепи генератора электрических релаксационных колебаний, схема которого приведена на рис. 41. Цепь состоит из источника постоянного напряжения U0, зарядного сопротивления R, конденсатора C, неоновой лампы Л и ключа K.

K

Рис. 41. Схема генератора электрических релаксационных колебаний

При замыкании ключа конденсатор медленно заряжается от источника, напряжение между электродами лампы возрастает. В тот момент, когда напряжение на конденсаторе достигает значения потенциала зажигания Uз, начинается разряд, через лампу идет ток.

Найдем, как изменяется напряжение на конденсаторе при его зарядке до момента зажигания лампы. При напряжении на лампе U меньше Uз ток в лампе равен нулю, ее сопротивление бесконечно велико. Для этого промежутка времени выполняется I = I1, так как I2 = 0. Запишем уравнение по II правилу Кирхгофа для контура, содержащего источник тока, резистор R и конденсатор С:

79

где I – сила тока в цепи, U – напряжение на конденсаторе. Преобразуем уравнение (6.2) с учетом того, что ток в цепи равен

скорости изменения заряда на конденсаторе:

После преобразований получится дифференциальное уравнение для одной переменной U = f (t) :

80

Таким образом, в процессе зарядки конденсатора его напряжение U увеличивается по экспоненциальному закону, асимптотически

приближаясь к величине U0 .

Когда напряжение на конденсаторе достигает значения Uз ,

неоновая лампа загорается и начинает проводить ток. Поскольку сопротивление горящей лампы гораздо меньше зарядного сопротивления R, то конденсатор быстро разряжается через лампу. Напряжение на конденсаторе будет падать до тех пор, пока его величина не до-

стигнет потенциала гашения Uг . Лампа погаснет, разряд через лампу

прекратиться, после чего конденсатор вновь начнет заряжаться. Таким образом, возникает периодически повторяющийся процесс – релаксационные колебания. Процесс изменения напряжения на конденсаторе представлен на рис. 42.

U

U0

Uз

Uг

t1 t2

t

Рис. 42. Электрические релаксационные колебания. Период колебаний Т равен сумме времени зарядки конденсатора t1 и его разрядаt2

Периодом Т релаксационных колебаний называется время t между одинаковыми фазами колебаний, оно складывается из време-

81

Найдем выражение для периода релаксационных колебаний. Рассмотрим процесс установившихся колебаний, рис. 42. Пусть в некоторый момент времени t напряжение на конденсаторе равно напря-

жению гашения лампы U= Uг , тогда в момент времени t+T оно будет равно напряжению зажигания лампы U = Uз.

Уравнение (6.7) в этом случае примет вид

Следовательно, период релаксационных колебаний зависит от параметров неоновой лампы Uз ,Uг и от параметров схемы U0 ,R,C .

6.5. Экспериментальная часть

Приборы и принадлежности: кассета ФПЭ-12, магазин сопротивлений (МС), магазин емкостей (МЕ), осциллограф С1-117/1, звуковой генератор ГЗ-112/1 (ЗГ), источник питания (ИП), кабели и соединительные провода.

Экспериментальная установка (рис. 43) состоит из генератора релаксационных колебаний, осциллографа С1-117/1 и звукового генератора ГЗ-112/1. В состав генератора входят кассета ФПЭ-12, источник питания (ИП), а также магазин сопротивлений (МС) и магазин емкостей (МЕ), которые позволяют регулировать в широких пределах параметры генератора. Магазин емкостей и магазин сопротивлений подключаются к гнездам PQ и R на передней панели кассеты ФПЭ-12. Кассета ФПЭ-12 содержит неоновую лампу, на передней панели кассеты расположены гнезда для подключения напряжения от источника питания (ИП), резисторов и емкостей из магазинов МС и МЕ.

82