Лабораторна робота № 53 вивчення роботи релаксаційного генератора

МЕТА РОБОТИ: засвоїти теоретичний матеріал з теми "Релаксаційні коливання” та освоїти методику експериментального визначення опорів резисторів та ємностей конденсаторів за допомогою релаксаційного генератора на неоновій лампі.

ПРИЛАДИ: неонова лампа, джерело постійного струму, реостат, вольтметр, набір резисторів та конденсаторів, секундомір.

1. Поняття про релаксаційні коливання.

Релаксаційні коливання - це коливання, які виникають в нелінійних системах і характерні тим, що складаються з процесів повільного та швидкого змін стану системи. В лінійних системах виконується лінійна залежність однієї величини від іншої . Наприклад, в механіці сила пружності пропорційна деформації F=−kx (закон Гука), а в електриці для металічного провідника сила струму пропорційна напрузі (закон Ома). Якщо ж лінійні залежності порушуються, то маємо нелінійні системи.

С аме слово "релаксація" з грецького означає послаблення. Прикладом релаксаційних коливань в механіці може бути коливання посудини (рис.53.1), яка наповнюється водою. По мірі наповнення водою посудини її центр мас піднімається і стає вищим вісі обертання ОО. Посудина перевертається, вода виливається і посудина повертається в попереднє положення. Залежність кількості води від часу має характерну пилоподібну форму (рис.53.2), де перший повільний процес 1-2 це накопичення води, а другий 2-3 швидкий процес її зменшення, тобто релаксація (послаблення стану системи). В електриці роль нелінійного елемента, що зумовлює релаксаційні коливання, може грати неонова лампа, в якій і має місце нелінійна залежність сили струму в газі (неоні) від напруги (рис. 53.2). Тому, щоб зрозуміти принцип роботи релаксаційного генератора на неоновій лампі доцільно коротко зупинитись на окремих питаннях механізму провідності газів.

2. Струм в газах. Види газових розрядів.

Гази при звичайних умовах є діелектриками, в них відсутні вільні електричні заряди. Газ стає провідником струму, якщо деяка частина його молекул іонізується. Тобто від нейтральних молекул чи атомів відбираються електрони і тоді молекули (атоми) стають додатними іонами. Проходження струму через газ називається газовим розрядом Розрізняють несамостійний і самостійний газовий розряди. Несамостійний газовий розряд відбувається лише при постійній дії іонізатора. Іонізатором газу може бути термічна дія (нагрів газу), опромінювання ультрафіолетовим світлом, або радіоактивними частинками і т.п. Після припинення дії іонізатора несамостійний газовий розряд в газі припиняється.

Строго кажучи, провідність газів не завжди рівна нулю, так як в газах завжди присутня невелика кількість іонів і електронів завдяки дії природний радіоактивного випромінювання Землі, а також космічних променів. Саме така невелика кількість електронів і іонів зумовлює подальший розвиток самостійного газового розряду.

Розряд в газах, який продовжується після припинення дії іонізатора називається самостійним і він починається при певній напрузі - напрузі пробою (для неонової лампи - це напруга запалювання). Так, якщо в газі між двома електродами (катодом і анодом) створити електричне поле, то лише при певній напрузі електрони набувають енергії необхідної для іонізації молекул газу. Утворюються вторинні електрони та іони, які знову іонізують молекули газу і т.д. Такий процес має лавиноподібний характер який називається ударною іонізацією. Але ударна іонізація ще недостатня для підтримання самостійного розряду, необхідно, щоб електронні лавини "відтворювались". Це відтворення відбувається за рахунок додатних іонів, які прискорені електричним полем, вдаряючись об катод, вибивають з нього електрони. Крім того, мають місце ще інші процеси, а саме: 1) позитивні іони переводять в збуджений стан молекули газу, що супроводжується випусканням фотонів (газ світиться); 2) утворені фотони вибивають електрони з катода (фотоефект); 3) під дією фотонів можлива фотонна іонізація газу.

Якщо тиск в газах незначний (декілька мм.рт.ст.), то самостійний газовий розряд, приймає форму тліючого розряду. Саме такий розряд і спостерігається в неоновій лампі.

При більш високих тисках, наприклад, при атмосферному, розряд приймає форму іскрового. Іскри являють собою канали, які заповнені плазмою (іонізованим газом). Ці канали називаються стримерами (від англійського – стрічка). Прикладом іскрового розряду є таке природне явище, як блискавка.

Крім того, в газах можливі ще інші види розрядів - дуговий та коронний. Дуговий розряд підтримується за рахунок високої температури катоду, що приводить до інтенсивної термоелектронної емісії, а також за рахунок термічної іонізації молекул газу. Дуговий розряд широко застосовується для зварювання і різки металів.

Коронний розряд - високовольтний розряд в різко неоднорідному електричному полі. Наприклад, коли напруженість поля біля гострого вістря досягає 30 кВ/см, то біля цього вістря виникає свічення газу, яке має вигляд, корони, звідси назва - коронний розряд.