Порядок выполнения работы

1. Собрать схему (рис. 5.2), включив в нее миллиамперметр.

2. Движок реостата поставить в положение, соответствующее минимальному напряжению на выпрямителе. Замкнуть переключатель таким образом, чтобы через выпрямитель шел прямой ток.

3. Постепенно повышая напряжение на 0,1В до 1В, произвести отсчеты показаний вольтметра и миллиамперметра (не менее семи точек). Результаты занести в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Результаты измерений

№	U, В	Iпр, mА	Iобр, мкА	Rпр, Ом	Rобр, Ом	К

4. Вернуть движок реостата в исходное положение. Отключив напряжение, заменить миллиамперметр микроамперметром. Изменить полярность приложенного напряжения с помощью переключателя П и повторить опыт, измеряя обратный ток при тех же значениях напряжения, что и прямой.

5. Рассчитать значения сопротивления диода и коэффициент выпрямления.

6. Построить вольтамперную характеристику диода, считая прямой ток и напряжение положительными, а обратный ток и напряжение отрицательными (масштаб для прямого и обратного токов выбрать разный), а также график зависимости коэффициента выпрямления от напряжения.

Контрольные вопросы

1. Каков механизм собственной и примесной проводимости полупроводников с точки зрения зонной теории твердого тела?

2. Что является основными и неосновными носителями заряда в примесных n- и p-полупроводниках?

3. Как зависит проводимость полупроводников от температуры?

4. Каков механизм выпрямляющего действия p-n перехода?

5. Выполняется ли для диода закон Ома?

6. Как изменяется коэффициент выпрямления с ростом напряжения?

7. Сравнить валентность донорной примеси с валентностью основы полу проводника.

Литература

Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Изд. центр «Академия», 2007. § 240-243.

РАБОТА № 6

Изучение релаксационных колебаний в схеме с газоразрядной лампой

Цель работы: экспериментальное исследование зависимости периода релаксационных колебаний от сопротивления и электроемкости в схеме с неоновой лампой и использование схемы для определения больших емкостей и сопротивлений.

Приборы и принадлежности: неоновая лампа, набор резисторов с известным сопротивлением, конденсатор известной электроемкости, неизвестные элементы цепи.

Краткая теория

Колебаниями называются процессы, характеризующиеся повторяемостью во времени. Существует множество способов их классификации. Колебания системы, однократно выведенной из равновесного состояния и предоставленной самой себе, называются свободными. Их частота и период определяются свойствами системы, а амплитуда зависит от запаса энергии. Вынужденными называются колебания, происходящие при периодическом внешнем воздействии. В отличие от свободных, вынужденные колебания совершаются с частотой, равной частоте вынуждающей силы. Однако существуют разновидности вынужденных колебаний – автоколебания, в которых амплитуда и частота определяются свойствами колеблющейся системы. В автоколебательных системах поступление энергии от внутреннего источника, являющегося их неотъемлемой частью, автоматически регулируется самим колебательным процессом.

В зависимости от энергетических превращений возможны два типа колебательных систем. В одних происходит постоянная перекачка энергии от одного накопителя к другому, сопровождающаяся переходом энергии из одной формы в другую. Такие колебательные системы называются томсоновскими (колебательный контур, маятник). В других имеется всего один накопитель энергии и в процессе колебаний происходит накопление и сбрасывание одной и той же формы энергии. Такие колебания и системы называются релаксационными. Примером электрических релаксационных колебаний являются колебания силы тока и напряжения в цепи, содержащей конденсатор и активное сопротивление. Разряд конденсатора через сопротивление представляет собой апериодический процесс. Ему можно придать периодический характер, возобновляя заряд конденсатора через постоянные промежутки времени. Периодические колебания в этом случае являются совокупностью двух апериодических процессов – процесса зарядки конденсатора и процесса его разрядки. Закон релаксационных колебаний резко отличен от гармонического, осуществляющегося при вынужденных колебаниях в цепях переменного тока.

В нашей схеме роль «ключа», обеспечивающего попеременную разрядку и зарядку конденсатора, играет неоновая лампа. Неоновая лампа – газоразрядный прибор, имеющий два электрода, которые помещены в баллоне с разреженным инертным газом неоном. Зависимость тока от напряжения для газоразрядной лампы не подчиняется закону Ома и характеризуется рядом особенностей (рис. 6.1).

При малых напряжениях лампа не пропускает тока (R = ). Ток в лампе возникает только в том случае, если разность потенциалов на ее электродах достигает напряжения зажигания U_з. При этом напряжении за счет процессов ударной ионизации возникают носители тока в газе: свободные электроны и ионы, что приводит к возникновению самостоятельного разряда. При этом скачком устанавливается сила тока I_з, а неон в лампе начинает светиться оранжевым светом. При дальнейшем увеличении напряжения сила тока возрастает. Если теперь уменьшать напряжение на горящей лампе, то при напряжении, равном U_з, лампа еще не гаснет и сила тока не равна нулю. Лампа перестает пропускать ток лишь при напряжении гашения U_г, которое обычно существенно меньше U_з. Сила тока при напряжении U_г скачком падает от значения I_г до нуля (I_г < I_з). Величины U_г, U_з, I_г и I_з зависят от данных неоновой лампы.

Рассмотрим работу электрической схемы, изображенной на рис. 6.2. В этой схеме конденсатор C, сопротивление R и источник питания соединены последовательно, а неоновая лампа присоединена параллельно конденсатору. После замыкания цепи на источник внешнего напряжения конденсатор начнет заряжаться и разность потенциалов на его обкладках будет увеличиваться до тех пор, пока не достигнет напряжения U_з. При напряжении зажигания в лампе возникнет тлеющий разряд, через нее начнет разряжаться конденсатор и напряжение на его обкладках будет падать. При достижении напряжения U_г разряд прекращается, так как лампа перестает проводить ток. Напряжение на конденсаторе опять начнет возрастать. Процессы зарядки конденсатора от внешнего источника и разряда его через неоновую лампу будут периодически повторяться. На рис. 6.3 изображен график изменения напряжения в конденсаторе в зависимости от времени. Возрастающие участки кривых соответствуют процессам зарядки конденсатора, падающие – процессам его разряда. Амплитуда колебаний напряжения равна U_з – U_г.

Вычислим период релаксационных колебаний. Период колебаний T состоит из времени зарядки и времени разрядки:

Ввиду малости сопротивления неоновой лампы при прохождении через нее тока по сравнению с сопротивлением R, _р << _з, можно считать T  _з , которое определяется параметрами элементов схемы.

Рассмотрим изменение напряжения на конденсаторе в процессе его зарядки. В соответствии с законами последовательного соединения проводников для любого момента времени справедливо соотношение

_, (6.1)

где I – сила тока в цепи; R – сопротивление; U – напряжение на обкладках конденсатора и на лампе; U₀ – напряжение, подаваемое в цепь.

Сила тока в цепи

.

Так как заряд конденсатора то

,

где C – емкость конденсатора. Тогда уравнение (6.1) можно переписать в виде

.(6.2)

Отсюда получаем выражение для элемента времени dt:

.(6.3)

Интегрируя выражение (6.3) в пределах от t₁ до t₂ (от U_г до U_з), определим время зарядки конденсатора:

.(6.4)

Значение натурального логарифма является для данной схемы величиной постоянной, так как оно зависит только от напряжения питания и параметров лампы, которые в данном опыте остаются неизменными.

Введя обозначение

(6.5)

перепишем соотношение (6.4) в более простом виде:

(6.6)

Это соотношение является приближенным. При его выводе не учтены процессы развития разряда и рекомбинации ионов при погасании лампы, не учтено и время разряда. Поэтому данная формула справедлива лишь в тех случаях, когда в схеме установлено достаточно большое сопротивление R и достаточно большая емкость C, при этом период зарядки конденсатора существенно больше времени развития разряда и рекомбинации ионов в газе. Время заряда конденсатора – промежуток времени между двумя вспышками неоновой лампы – можно измерить с помощью секундомера. При достаточно больших R и C возникают колебания с периодом в несколько секунд. Изменяя значения R (или C), можно экспериментально определить зависимость периода релаксационных колебаний от параметров схемы.

Схема измерений и используемые приборы

Описание схемы, используемой для определения неизвестного сопротивления R и емкости C (рис. 6.2), приведено выше. Напряжение 75 В подается в цепь от источника питания. В качестве известного сопротивления используется набор резисторов, а в качестве известной емкости – емкость 1 мкФ. Для определения периода релаксационных колебаний используется секундомер с ценой деления 0,2 с. Неоновая лампа укреплена на панели с клеммами.