5

Релаксационные колебания в цепи с неоновой лампой.

Лабораторная работа № 129.

1. Тлеющий разряд в неоновой лампе

Неоновая лампа представляет собой стеклянный баллон, в который впаяно 2 электрода; лампа заполнена неоном под дав­лением порядка 1 мм рт. ст. При таком давлении газ в лампе может проводить ток при сравнительно невысоких напряжениях между электродами за счет так называемого тлеющего разряда. Причиной возникновения разряда являются свободные электро­ны, всегда имеющиеся в газе в ничтожном количестве благодаря случайным источникам ионизации (в дальнейшем, после начала разряда, большую роль играют также электроны, выбиваемые положительными ионами из катода).

Двигаясь в электрическом поле, электроны приобретают энергию, средняя величина которой определяется условиями равновесия между энергией, приобретаемой на длине свобод­ного пробега под действием поля, и энергией, теряемой при упругом соударении с молекулами газа¹. В то же время небольшое количество наиболее быстрых электронов может иметь энергию, достаточную для ионизации молекул газа. Благодаря этому возникают новые свободные электроны, часть которых, в свою очередь, может приобрести энергию, достаточную для ионизации. С другой стороны, происходит непрерывная убыль числа свободных электронов за счет рекомбинации и диффузии к аноду и к стенкам баллона. С ростом напряженности поля средняя энергия электронов растет и соответственно растет вероятность ионизации.

При каком-то определенном напряжении эта вероятность на­столько возрастает, что каждый электрон успевает до своего ухода из зоны разряда (за счет рекомбинации или диффузии) создать в среднем больше одного нового свободного электрона. Тогда начинается лавинный процесс возрастания числа свобод­ных электронов и ионов (процесс типа цепной реакции) —зажи­гается разряд. В течение очень короткого времени (порядка не­скольких микросекунд) устанавливается равновесное распреде­ление потенциала: значительное падение потенциала в несветя­щейся области вблизи катода, где электроны, выбитые из ка­тода, набирают достаточную для ионизации энергию, и почти постоянный потенциал в светящейся плазме, занимающей всю остальную область вплоть до анода². При дальнейшем повыше­нии разности потенциалов ток растет, но уже не очень значи­тельно. При понижении напряжения ниже напряжения зажига­ния ток уменьшается, но разряд не гаснет, так как, благодаря наличию большого числа свободных электронов и ионов, в зоне разряда поддерживается распределение потенциала, обеспечи­вающее более высокую вероятность ионизации (напряженность поля в узкой прикатодной области весьма высока—гораздо выше, чем во всем пространстве между катодом и анодом до за­жигания).

Заряд гаснет лишь при напряжении, лежащем заметно ниже напряжения зажигания, когда среднее число новых свободных электронов, создаваемых каждым электроном за время его жизни в зоне разряда, становится меньше единицы. После этого за время порядка миллисекунды происходит полная деионизация газа — все ионы рекомбинируют или уводятся на электроды.

2. Релаксационные автоколебания

Благодаря различию между напряжениями зажигания и гашения неоновая лампа может быть использована для по­строения простейших генераторов электрических колебаний пи­лообразной формы, в частности генераторов напряжения раз­вертки для электронных осциллографов. Рассмотрим схему рис. 1, в которой напряжение превышает напряжение зажигания неоновой лампы L.

Непосредственно после включе­ния схемы напряжение на конденсаторе равно нулю—лампа не горит. Затем конденсатор начинает постепенно заряжаться через сопротивление R; напряжение на конденсаторе растет со време­нем по закону (см. Приложение)

. (1)

Когда напряжение на конденсаторе становится равным напряже­нию зажигания лампы , лампа вспыхивает, и конденсатор на­чинает разряжаться через нее. Поскольку сопротивление горя­щей лампы невелико, разряд конденсатора будет происходить очень быстро, и через весьма малое время напряжение упадет до значения —лампа погаснет. Далее вновь начинается про­цесс заряда конденсатора, и т. д. Возникают периодические коле­бания, которые называются

релаксационными, так как форма кривой изменения напряжения определяется релаксационными процессами заряда и разряда конденсатора.

Кривая изменения напряжения на конденсаторе показана на рис. 2. Время нарастания напряжения от до легко найти, подставляя в (1) значения при ; при . Получаем

(2),

и если то эта же формула определяет и период колебаний Т (с относительной ошибкой порядка , где r— сопротивление лампы в момент погасания).

Для того чтобы действительно получить колебания, сопротив­ление R должно быть не слишком маленьким — оно должно обеспечивать уменьшение напряжения ниже значения при токе погасания лампы (напомним, что должно быть выше ). Оно не должно быть также слишком большим, так как изо­ляция конденсатора всегда имеет конечное сопротивление утечки . Нетрудно видеть, что конденсатор может заряжаться лишь до напряжения , если это напряжение ниже, чем , то лампа вообще не вспыхнет. Таким образом, колебаний очень большого периода таким методом получить нельзя (если не слишком повышать напряжение ). Колебания малого периода получить можно (за счет уменьшения емкости С), но, конечно, нельзя уменьшить период ниже суммы вре­мен зажигания и погасания разряда в лампе (практически играет роль только время деионизации газа).

Для получения релаксационных колеба­ний можно воспользоваться также схемой рис. 3. В этой схеме лампа вспыхивает в момент включения, и конденсатор сразу же заряжается до напряжения , а затем медленно разряжается через сопротивле­ние R до новой вспышки лампы. Нарисуйте самостоятельно кривую изменения напряжения на конденсаторе для этого случая. Период колебания и в этом случае определяет­ся формулой (2).

В отличие от схемы рис. 1, а в схеме рис. 3 можно неограни­ченно увеличивать сопротивление R. Однако период все же не будет бесконечно возрастать, так как сопротивление R шунтиро­вано сопротивлением утечки , и при бесконечном R период со­храняет конечное значение

Очевидно, что схема позволяет измерять сопротивление утечки конденсаторов. Однако слишком большие сопротивления изме­рять все же нельзя, так как сама лампа также имеет утечку.