Порядок виконання роботи

1. Ознайомитись з установкою. Ввімкнути живлення генератора звукових коливань Г.

2. Обертаючи ручку блока Б повільно піднімати поршень, при цьому гучність звуку буде періодично змінюватись.

3. Виміряти декілька положень поршня , коли гучність досягає максимального значення.

4. Розрахувати відстань між двома сусідніми положеннями поршня, у яких гучність досягає максимального значення.

5. Розрахувати середнє значення .

6. За формулою (4.3.3) знайти довжину звукової хвилі .

7. За формулою (4.3.2) знайти швидкість звуку в повітрі за температури досліду.

8. Порівняти отриману експериментально швидкість з результатом розрахункуза формулою (4.3.4).

9. Усі результати вимірювань та розрахунків записати в табл. 4.3.1.

Таблиця 4.3.1

№ пор.	, м	, м	, м	, м (4.3.3)	, (4.3.2)	, К	, (4.3.4)

Контрольні запитання

1. Дайте визначення хвильового процесу.

2. Які хвилі називають пружними?

3. Дайте визначення поздовжніх і поперечних хвиль.

4. Виведіть рівняння плоскої монохроматичної синусоїдальної біжучої хвилі.

5. Що називають довжиною хвилі? Запишіть формулу зв’язку між довжиною і частотою хвилі.

6. Від яких параметрів залежить швидкість звуку в газах?

7. Що таке стояча хвиля? Запишіть її рівняння.

8. Що таке вузол та пучність стоячої хвилі? Визначте їхнє взаємне розміщення.

9. Що таке звук, інфра- та ультразвук? Наведіть приклади застосування ультразвуку.

Лабораторна робота № 4.4. Вивчення роботи релаксаційного генератора

Мета роботи:вивчити автоколивання, нелінійні та релаксаційні коливання; дослідити релаксаційний генератор, залежність частоти його коливань від ємності конденсатора.

Вказівки до виконання роботи

Для виконання роботи потрібно засвоїти такий теоретичний матеріал: гармонійний осцилятор; вільні коливання в електричному коливальному контурі; нелінійні коливальні системи; автоколивання та релаксаційні коливання.

Література: [1 §§ 50, 53, 58, 59; 2 §§ 89, 90; 3 §§ 93, 96-99, 101, 102; 4 §§ 153-158].

Перед виконанням ознайомитись з вказівками до робіт №№ 3.1, 4.1, 4.2.

Релаксаційними називають автоколивання, впродовж періоду яких уся нагромаджена в системі енергія розсіюється. Виникають такі коливання у релаксаційних генераторах.

Релаксаційний генератор– одна з найпростіших автоколивальнихсистем. Схему генератора наведено на рис. 4.4.1. Основні його елементи –джерело постійного струму, зарядний резисторR, неонова лампаЛі конденсаторС.

Принцип роботи релаксаційного генератора ґрунтується на особливостях його основного елемента – неонової лампи. У найпростішому випадку неонова лампа являє собою два металевих електроди, впаяних у скляну колбу. Колбу заповнено неоном, тиск якого є значно меншим за атмосферний. Нелінійні властивості неонової лампи визначаються властивостями газового розряду, який є електричним струмом у газах.

За звичайних умоватоми інертного газу нейтральні, тому поява на електродах лампи різниці потенціалівне призведе до виникнення електричного струму, оскільки немає вільних носіїв заряду. Для виникнення струму потрібно, щоб у газі були створені вільні заряджені частинки. За реальних умов в об’ємі неонової лампи є певна кількість вільних іонів та електронів, народженихзовнішнім іонізатором– радіоактивними променями різного походження: космічними променями, випромінюванням радіоактивних ядер, розсіяних як у земній корі, так і в матеріалах, з яких виготовлено елементи установки. Наявність таких іонів призводить до виникненнянесамостійного газового розряду, але величина струму надзвичайно мала і на роботу установки не впливає.

Електричний струм в газі, який виникає без дії зовнішнього іонізатора, називають самостійним газовим розрядом. Головним джерелом утворення вільних носіїв заряду (іонів) у цьому випадку єударна іонізація атомів газу електронами, які прискорюються, наприклад, сильним неоднорідним електричним полем.

У релаксаційному генераторі, коли напруга на неоновій лампі стає настільки великою, що народжені радіоактивними променями електрони прискорюються на довжині вільного пробігу та досягають такої енергії, що здатні іонізувати атоми внаслідок зіткнення з ними, виникають вторинні електрони та іони. Вторинні електрони іонізують нові атоми. Таким чином виникає лавиноподібний процес, коли електрони рухаються до анода, а іони – до катода. Іони вибивають з катода електрони (явище вторинної іон-електронної емісії), які стають джерелом нового лавиноподібного процесу. Електрони не тільки іонізують, а й збуджують атоми. Світіння збуджених атомівє характерною ознакою самостійного газового розряду.

Таким чином, необхідною умовою виникнення самостійного газового розряду є така напруженість електричного поля, коли електрони на довжині вільного пробігунабувають енергії більшої або рівної енергії іонізації атомів:

. (4.4.1)

До виникнення самостійного газового розряду напруженість поля пов’язана з напругоюна лампі та відстанню між електродами:

. (4.4.2)

З виразів (4.4.1) та (4.4.2) отримаємо напругу запалювання (спалахування) лампи:

. (4.4.3)

Під час самостійного розряду наявність великої кількості іонів призводить до виникнення поблизу катода електричного поля із значно більшою напруженістю, ніж це випливає з формули (4.4.2). Унаслідок цього розряд у лампі можливий за більш низьких значень напруги на електродах. Напруга , за якої самостійний розряд вже не може існувати, називаєтьсянапругою гасіння. Вона завжди менша, ніж(рис. 4.4.2).

Другим важливим елементом релаксаційного генератора є конденсатор або батарея конденсаторів. Конденсатором називають систему близько розміщених провідників, розділених діелектриком для накопичення і зберігання електричних зарядів.Конденсатор характеризують електричною ємністю.Ємність конденсаторачисельно дорівнює заряду, який треба перенести з однієї обкладки на іншу, щоб змінити різницю потенціалів між обкладками на одиницю:

.

Ємність системи паралельно або послідовно з’єднаних конденсаторів визначають за формулами:

, (4.4.4)

. (4.4.5)

Розглянемо роботу релаксаційного генератора. Унаслідок замикання кола (рис. 4.4.1) конденсатор почне заряджатись. Тривалість зарядки конденсатора тим більша, чим більші ємністьта опір резистора. Закон наростання напруги на конденсаторі можна отримати з таких міркувань.

У будь-який момент часу напруга на конденсаторі становить:

, (4.4.6)

де струм зарядки у колі:

. (4.4.7)

З формул (4.4.6) та (4.4.7) отримаємо:

. (4.4.8)

Якщо врахувати, що за умови t= 0 таU= 0 після інтегрування рівняння (4.4.8) отримаємо формулу залежності напруги від часу:

. (4.4.9)

Графік залежності напруги на конденсаторі від часу показано на рис. 4.4.2 (крива OBN). Напруга на конденсаторі асимптотично наближається до ЕРС джерела струму, але коли(точкаВ на рис. 4.4.2), у лампі виникає самостійний розряд і її внутрішній опір різко зменшується. В результаті конденсатор починає швидко розряджатись через лампу. Конденсатор розряджається лише частково, бо коли(точкаМ), лампа гасне і її опір стає дуже великим. Отже, конденсатор знову може заряджатись від джерела струму.

Таким чином, виникають періодичні цикли зарядки – розрядки конденсатора (криві ВМ,В₁М₁,…,В_NМ_N). Оскільки під час заряджання напруга на конденсаторі має релаксаційний характер, ці коливання називаються релаксаційними.Релаксаційні коливання– частковий випадок негармонійних автоколивальних процесів.

Проаналізувавши схему 4.4.2, можна дійти висновку, що періодом релаксаційних коливаньє час між сусідніми однаковими фазами напруги. Під час досліду його зручно визначати як час між двома послідовними спалахами лампи. З рівняння (4.4.9) дляможна отримати:

, (4.4.10)

де – константа, яка визначється параметрами неонової лампи та джерела струму. На досліді цю константу можна визначити, використовуючи відомі значенняR, C_i та вимірюючи для кожного значення C_i відповідний період коливань Т_і. Для цього требапобудувати графік,іза відомим тангенсом кута нахилу визначити. Досліджуючи роботу релаксаційного генератора,за допомогою вимірювань можна визначити значення ємностіС_хза формулою:

. (4.4.11)