Методические указания

ИЗУЧЕНИЕ РЕЛАКСАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ В
ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЕ
Методические указания к лабораторной работе № 50
2
Цель работы: 1)снять вольт-амперную характеристику газоразрядной
лампы; 2)определить зависимость периода релаксационных колебаний
от параметров цепи.
Приборы и принадлежности: газоразрядная (неоновая) лампа, источник регулируемого напряжения (ВУП – 2), высокоомный вольтметр, магазин сопротивлений, магазин конденсаторов, миллиамперметр, осциллограф.
ВВЕДЕНИЕ
Характерной особенностью газоразрядной неоновой лампы является то, что она начинает проводить ток («зажигается») только при определенном «напряжении» зажигания U З , которое зависит от расстояния между электродами, их формы, давления газа в ней. Гаснет лампа
mA
V
U0
Рис.1
I
U
0
UЗ
UГ
Рис.2
2
3
при «напряжении гашения» U Г , которое меньше U З . Вольтамперная
характеристика определяется с помощью установки, схема которой
приведена на рис.1 и имеет вид, представленный на рис.2.
Как видно из вольт-амперной характеристики, внутреннее сопротивление лампы Ri определяется тангенсом угла наклона ее касательdU
. При возрастании U от 0 до U З
ной к оси напряжения Ri (U ) =
dI
Ri = ∞ , а при U > U З сопротивление лампы имеет конечное значение. С
уменьшением напряжения внутреннее сопротивление остается достаточно малым вплоть до U Г . При U < U Г сопротивление лампы скачком
увеличивается до очень большого значения.
Указанные свойства позволяют использовать неоновую лампу в
качестве основного элемента релаксационного генератора электромагнитных колебаний. Электрическая схема наблюдения релаксационных
колебаний изображена на рисунке 3.
После включения источника напряжения U 0 происходит зарядка
R
Источник
регулир. напряжения
ВУП-2
Ri
U0
V
Y
C
Рис.3
конденсатора с изменением напряжения по асимптотическому закону
t
−
⎛
RC ⎞
(1)
U = U 0 ⎜1 − e ⎟ ,
⎝
⎠
где Ri - сопротивление лампы; С - емкость конденсатора.
При достижении U = U З через лампу начинает протекать ток (она
зажигается). Если R >> Ri , то конденсатор разряжается через лампу.
Напряжение на конденсаторе уменьшается по асимптотическому закоi
3
4
−
t
Ri C
ну U = U 0 e
(участок 1 – 2). При достижении U = U Г лампа гаснет, а
ток через нее уже практически равен 0, так как при этом Ri → ∞ . Затем
конденсатор вновь подзаряжается от источника питания (кривая 2-3) до
тех пор, пока лампа не вспыхнет (точка 3). Далее процесс периодически
повторяется (рис.4).
U
U0
1
UЗ
UГ
3
2
5
T2
T1
4
t
T
0
Рис.4
Можно показать, что период релаксационных колебаний определяется в случае Ri << R (с учетом, что Т2 << Т1) по формуле
U −U Г
T = RC ln 0
.
(2)
U0 −U З
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Собрать схему в соответствии с рис.1. Меняя U 0 снять прямую
и обратную ветви вольт-амперной характеристики неоновой
ламы. Определить по характеристике U З и U Г . (Внимание:ввиду малого отличия U З и U Г для используемого типа газоразрядных ламп значения U З и U Г указаны на доске с методическими рекомендациями к лабораторным работам)
2. Собрать установку в соответствии с рис.3.
3. Исследовать зависимости периода колебаний Т релаксационного генератора: T (U 0 )RC , T (R )U C , T (C )RU .
4. Полученные данные для всех зависимостей занести в таблицы.
0
4
0
5
5. Построить
графики
экспериментальных
зависимостей
Т = T (U 0 )RC , Т = T (R )U C , Т = T (C )RU .
6. На этих же графиках построить теоретические зависимости в
соответствии с формулой 2 с использованием полученных в 4
пункте данных.
0
0
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
1.
2.
3.
4.
Какие особенности вольт-амперной характеристики неоновой лампы?
Как определить внутреннее сопротивление лампы из ее
вольт-амперной характеристики?
Как объяснить процесс зажигания неоновой лампы?
Каков принцип действия релаксационного генератора?
Какими способами можно изменять период колебаний?
Можно ли релаксационный генератор на основе неоновой
лампы использовать в качестве генератора развертки осциллографа?
Библиографический список
Прохождение электрического тока через газы: Элементарный учебник физики. Т. 2 / Под ред. Г.С. Лансберга.
М.: Наука, 1985. С. 204-236.
Тиратронный генератор релаксационных колебаний: Физический практикум. Электрическтво и оптика / Под. ред.
В.И. Ивероновой. М.: Наука, 1968. С. 248.
Изучение работы газонаполненной лампы: Лабораторный
практикум / Под.ред. А.С. Ахматова. М.: Высш. шк., 1980.
-260 с.
Т.И. Трофимова Курс физики: Учебн. Пособие для вузов.
7-е изд. стер. –М., Высш. шк. 2002. –542с.
5