![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Лабораторная работа № 6 Изучение газоразрядной лампы и релаксационных колебаний в схеме с газоразрядной лампой.
- •Краткая теория
- •Процессы заряда и разряда конденсатора.
- •Газоразрядные приборы.
- •Релаксационные колебания:
- •Ход работы.
- •Подготовка приборов к работе.
- •1. Измерение напряжения зажигания и гашения газоразрядной лампы
- •2. Измерение периода релаксационных колебаний при различных сопротивлениях и емкостях
Релаксационные колебания:
Если
концентрация
ионов
по всему объему трубки, в которой течет
ток
,
одинакова,
то плотность тока равна
.
(1)
где
и
—
подвижности положительных и отрицательных
ионов,
Е
напряженность электрического поля,
— заряд
положительного и отрицательного ионов.
При наличии электрического
тока убыль ионов происходит также за
счет их ухода на электроды, поэтому для
стационарных токов можно записать
уравнение баланса ионов:
(2)
где
— расстояние между плоскими электродами
в трубке,
– постоянная рекомбинации ионов. В
левой части равенства (2)
– темп генерации ионов, в правой части
первое слагаемое описывает темп
рекомбинации ионов, а второе слагаемое
– уход ионов на электроды. В слабых
электрических полях убыль ионов
определяется рекомбинацией
.
Тогда уравнение баланса ионов дает
величину для концентрации ионов
,
а плотность тока пропорциональна
напряженности электрического поля
(участок 1 вольт-амперной характеристики
разряда (рис. 8)):
.
В
обратном предельном случае
можно пренебречь рекомбинацией.
В этом приближении
,
ток не зависит от напряжения
между электродами (участок 3
на
рис. 8). На промежуточном участке 2
плотность
тока связана с напряженностью
нелинейно, закон Ома здесь не выполняется.
При прекращении
действия внешнего ионизатора разряд
при напряжениях,
соответствующих областям 1—3, прекратится.
Такие разряд
и проводимость газа называются
несамостоятельными.
При
дальнейшем увеличении напряжения между
электродами (участок 4)
начинается
возрастание силы ионизационного тока,
сначала
медленное, а затем очень резкое.
Возникающий при этом
разряд не прекращается, если убрать
внешний ионизатор. Такой
разряд называется самостоятельным,
так
как образование новых
ионов происходит в результате внутренних
процессов, происходящих
в самом газе. В достаточно сильных
электрических полях кинетическая
энергия, накопленная электроном (или
ионом) на длине свободного пробега
,
может оказаться достаточной
для ионизации атома газа:
,
где
-
энергия
ионизации атома.
Тогда
столкновения электронов с нейтральными
атомами будут
сопровождаться ионизацией последних.
Вторичные электроны
и ионы также ускоряются электрическим
полем и ионизируют новые
атомы газа. Число носителей тока
лавинообразно возрастает, возрастает
и сила разрядного тока. Переход от
несамостоятельного
разряда к самостоятельному называется
электрическим
пробоем газа,
а
соответствующее ему напряжение —
напряжением
зажигания
.
Согласно
закону Пашена, разность потенциалов
между электродами трубки, при которой
начинается
пробой газа, есть функция произведения
давления газа на расстояние
между электродами. Действительно, оценим
на основании молекулярно – кинетической
теории длину свободного пробега ионов.
Для этого рассмотрим цилиндр, площадь
основания которого, порядка сечения
рассеяния иона
,
описываемый движущимся ионом длиной
.
По определению длины свободного пробега
иона в данном цилиндре должен находится
в среднем один ион, сталкивающийся с
выделенным, то есть имеет место:
.
Учитывая, что концентрация ионов
пропорциональна давлению
,
а напряженность поля
,
получим,
что
(закон Пашена).
Рис. 7. Рис. 8.
Вольт - амперная характеристика газонаполненной лампы.
При протекании тока в газе изменяется распределение потенциала между электродами. У анода появляются избыточные отрицательные объемные заряды, а у катода — положительные. В соответствии с уравнением Пуассона
(3)
зависимость
потенциала
от
координаты
(рис.
9) перестает быть линейной. В
(3)
—распределение
объемной плотности заряда в
трубке. Как видно из рис. 9, протекание
тока делает падение потенциала вблизи
электродов более крутым, а в середине
между ними — более пологим. Идеализированная
вольт-амперная характеристика
газоразрядной лампы приведена на рис.
10. При увеличении
напряжения от
до
малыми
токами несамостоятельного
разряда при обычных внешних ионизаторах
можно пренебречь.
Значительная сила тока в лампе возникает
только в
том случае, если разность потенциалов
на ее электродах достигнет
.
При
этом скачком устанавливается сила тока,
равная
(лампа
«загорается»). При дальнейшем увеличении
напряжения
сила тока возрастает по закону, близкому
к линейному. Если
уменьшать напряжение на горящей лампе,
то при напряжении,
равном
,
лампа
еще не гаснет и сила тока продолжает
уменьшаться.
Это связано с тем, что вблизи электродов
напряженность
поля еще достаточна для ионизации
нейтральных
атомов электронами (см. рис. 9).
Лампа
перестает пропускать ток лишь при
напряжении
,
меньшем
.
Сила
тока при этом скачком уменьшается от
до
.
Самостоятельный разряд прекращается,
лампа «гаснет». У
реальной лампы зависимость
при
является не вполне
линейной, причем при
кривые,
снятые при возрастании
и убывании напряжения, обычно не
совпадают.
Рис. 9. Рис. 10.
Генератор релаксационных колебаний на тиратроне.
Рис. 11.
Генератор
пилообразных сигналов на тиратроне
(рис. 11) является
простейшим релаксационным генератором
и ранее широко использовался как
генератор развертки в осциллографах.
Генератор содержит элементы
и тиратрон
.
При включении напряжения
начинается заряд конденсатора
и напряжение на нем
,
а следовательно, и на тиратроне
начнет увеличиваться по экспоненциальному
закону, в течение времени
.
(4)
Когда напряжение
достигает напряжения зажигания
тиратрона (
),
в тиратроне возникает тлеющий разряд,
а конденсатор разряжается до напряжения
погасания
тиратрона в течение
.
(5)
Затем процесс
зарядки конденсатора повторяется
(рис. 12). Изменяя отрицательное
напряжение на
сетке тиратрона, можно менять
амплитуду и период колебания
этого релаксационного генератора.
Подавая на сетку
тиратрона положительные импульсы, можно
преждевременно вызвать
разряд конденсатора, подавая отрицательные
импульсы, можно
несколько задержать момент возникновения
тлеющего разряда
и начало разряда конденсатора. Таким
образом,
можно изменить период
релаксационных
колебаний тиратронного генератора и
осуществить
синхронизацию этого генератора - сделать
период его колебаний равным или кратным
периоду
повторения внешних импульсов.
Кривая
разряда конденсатора проходит значительно
круче кривой заряда, а
.
Следовательно, можно считать, что период
релаксационных колебаний
.
На основании соотношения (4) имеем:
,
.
Отсюда несложно получить приближённую формулу для расчёта периода релаксационных колебаний:
.
(6)
Рис. 12.
Изучение релаксационных колебаний.
Цель работы: изучение вольт – амперной характеристики газонаполненной лампы и работы генератора релаксационных колебаний на тиратроне, измерение и расчёт периода релаксационных колебаний при различных значениях сопротивления.
Приборы и оборудование: лабораторный стенд, магазин сопротивлений, магазин емкостей, источник питания, звуковой генератор, электронный осциллограф, цифровой амперметр.