Московский государственный технический

Университет «мами»

Кафедра физики

Лабораторная работа 2.05

ИЗУЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

И электрических релаксационных колебаний

Москва 2005 г.

Лабораторная работа № 2.05

ИЗУЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

И электрических релаксационных колебаний

Цель работы: Снятие характеристик самостоятельного электрического разряда в неоновой лампе и определение времени релаксации.

Введение

В данной работе осуществляется экспериментальное изучение зависимости периода релаксационных электрических колебаний, происходящих в схеме с неоновой лампой, от параметров системы (рис. 1).

Релаксацией называется процесс восстановления системы после некоторого возмущения, который опи-сывается экспоненциальным выражением или . Первое выражение описы-вает самопроизвольный процесс возвращения системы в положение равновесия, например разрядка конденсатора через сопротивление. Второе выражение описывает вынужденный процесс перехода системы в новое состояние равновесия, например зарядка конденсатора от источника. Величина  называется временем релаксации. Это время, в течение которого остаточное возмущение в е раз меньше исходного. Действительно, при t =  для первого выражения , а для второго .

Электрические релаксационные колебания состоят из двух процессов, процесса зарядки конденсатора (вынужденный процесс) и процесса его разрядки через другое сопротивление (самостоятельный процесс). Следовательно, в состав схемы должны входить:

1) источник энергии (батарея ЭДС  );

2) сопротивление, через которое заряжается конденсатор (R);

3) конденсатор (С);

4) неоновая лампа (НЛ), с помощью которой при достижении определенного напряжения на конденсаторе осуществляется его разрядка (рис.1).

2

Электродвижущая сила батареи  должна быть больше потенциала зажигания неоновой лампы, а сопротивление R - много больше сопротивления неоновой лампы в рабочем (зажженном) состоянии.

Самостоятельный электрический разряд в неоновой лампе

Одной из основных частей рассматриваемой схемы является неоновая лампа, представляющая собой стеклянный баллон с двумя впаянными электродами в виде дисков или цилиндров разного диаметра. Баллон заполнен неоном при низком давлении (1015 мм. рт. ст.).

При подаче напряжения на электроды в пространстве между электродами создается электрическое поле и при определенных условиях возникает электрический ток.

Неон, как и всякий газ, состоящий из нейтральных атомов, является изолятором. Необходимым условием возникновения электрического тока в газе является возникновение заряженных частиц в объеме газа, что можно осуществить путем ионизации атомов и молекул газа. При этом возникают электроны и положительно заряженные ионы атомов газа.

В зависимости от способа ионизации газа электрический разряд в газе называется несамостоятельным или самостоятельным. Несамостоятельным электрическим разрядом в газе называется разряд, при котором ионизация осуществляется под действием высоких температур, рентгеновских или ультрафиолетовых лучей, излучения радиоактивных элементов, космических лучей (то есть под действием внешнего ионизатора). Разряд прекращается если внешний ионизатор перестает действовать. Как правило, несамостоятельный разряд не сопровождается свечением.

Самостоятельный электрический разряд в газе осуществляется без воздействия внешнего ионизатора. Возникновение заряженных частиц в объеме газа происходит за счет столкновения электронов, приобретенных достаточную скорость в электрическом поле, с нейтральными атомами и молекулами (ударная ионизация). При столкновении электрона с нейтральным атомом из атома «выбивается» электрон, то есть образуется еще один электрон и ион. Вторичные электроны, ускоряясь в электрическом поле, также участвуют в ионизации атомов. В результате число носителей тока в газе возрастает практически в геометрической прогрессии. Вторичная электронная эмиссия – испускание электронов с поверхности катода при бомбардировке его положительными ионами, приобретенными скорость в электрическом поле, дает начальный поток новых электронов. Начальные электроны для самостоятельного разряда всегда имеются в объеме любого газа, например, за счет космического излучения.

Для осуществления самостоятельного газового разряда кинетическая энергия ускоренного электрона должна быть равной энергии ионизации атомов газа ()

3

(1)

где m_e  масса электрона, v  его скорость.

Кинетическую энергию электрона можно выразить через прошедшую разность потенциалов между двумя последовательными соударениями с атомами , которая выражается через длину свободного пробега (L) и напряженность электрического поля (Е)

, (2)

где е - заряд электрона.

Таким образом, подставляя (2) в (1), получим

. (3)

Напряжение зажигания самостоятельного газового разряда u₃ равно

(4)

где d - расстояние между электродами неоновой лампы.

Как видно из уравнения (4), напряжение зажигания зависит от энергии ионизации молекул газа (от типа газа в баллоне), расстояния между электродами и длины свободного пробега электрона. С увеличением длины свободного пробега электрона (с уменьшением давления газа) напряжение зажигания уменьшается.

При атмосферном давлении для создания самостоятельного разряда требуются очень большие напряжения. В неоновой лампе такой разряд осуществляется при низком давлении (10  15 мм. рт. ст.).

Самостоятельный разряд сопровождается оптическими явлениями - газ светится. Причинами свечения газа являются процессы: рекомбинации электронов с ионами; столкновение ионов с нейтральными атомами; столкновение электронов (прошедших расстояние, меньшее длины свободного пробега) с нейтральными атомами. Во всех этих процессах образуются атомы в возбужденном состоянии. При переходе их в основное состояние излучается квант света.

Свечение самостоятельного газового разряда, прилегающего к аноду, называется тлеющим разрядом.

Наиболее интересным оказалось то, что в работающей (зажженной) лампе потенциал между катодом и анодом изменяется неравномерно. Почти все падение потенциала, приложенного к лампе, приходится на небольшой участок

вблизи катода. Эту часть напряжения называют катодным падением потенциала.

4

Светящаяся газоразрядная плазма, примыкающая к аноду и называемая положительным столбом, имеет высокую концентрацию электронов и положительно заряженных ионов. Поэтому положительный столб выполняет роль проводника, соединяющего анод с областью катодного падения потенциала.

Основные процессы, необходимые для поддержания тлеющего разряда, происходят в его катодной части. Поскольку в рабочем состоянии лампы напряженность электрического поля в катодной части увеличивается при заданном напряжении зажигания на лампе, то условие (3) будет выполняться при меньшем напряжении на лампе относительно напряжения зажигания. Т.е. напряжение гашения на лампе U_г должно быть меньше напряжения зажигания U_з.