42514

Изучение релаксационных электрических колебаний с помощью электронного осциллографа

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Основная особенность неоновой лампы заключается в том что она начинает проводить ток только при определённой разности потенциалов Uз между её электродами. Если напряжение на электродах лампы U Uз ток через лампу не идёт так как неон является диэлектриком. В этом случае внутреннее сопротивление Ri лампы очень велико. При разности потенциалов Uз которая называется потенциалом зажигания лампы происходит пробой диэлектрика − через лампу идёт ток.

Русский

2013-10-30

113.5 KB

12 чел.

Лабораторная работа № 16

изучение релаксационных электрических

колебаний с помощью электронного

осциллографа

Цель работы: изучить физические процессы, протекающие в генераторе релаксационных колебаний, и научиться получать осциллограмму релаксационных колебаний.

Оборудование: неоновая лампа, осциллограф, магазин сопротивлений, вольтметр, источник постоянного тока, конденсатор, соединительные провода.

16.1. Краткие теоретические сведения

Релаксационными колебаниями называются периодически повторяющийся процесс, состоящий из двух стадий:

  •  медленного накопления энергии системы до определённого критического значения;
  •  последующей разрядки энергии, происходящей почти мгновенно.

Релаксационные колебания широко распространены и могут совершаться в различных системах − механических, электрических и т.д.

Рассмотрим принцип действия релаксационного генератора, основной частью которого является неоновая лампа. Она состоит из стеклянного баллона, в который впаяно два электрода − анод и катод − в виде металлических пластинок, расположенных на расстоянии 2 − 3 мм друг от друга. Баллон заполнен неоном при низком давлении (10 − 15 мм. рт. ст.). Основная особенность неоновой лампы заключается в том, что она начинает проводить ток только при определённой разности потенциалов Uз между её электродами. Если напряжение на электродах лампы U < Uз, ток через лампу не идёт, так как неон является диэлектриком. В этом случае внутреннее сопротивление Ri лампы очень велико. При разности потенциалов Uз, которая называется потенциалом зажигания лампы, происходит пробой диэлектрика − через лампу идёт ток. При этом неон светится оранжевым светом, лампа зажигается.

Потенциал зажигания зависит от расстояния между электродами, их формы, а также от природы и давления наполняющего газа. После зажигания лампа может гореть уже при более низком давлении и при некотором напряжении Uг < Uз, называемом потенциалом гашения, она гаснет. Вольтамперная характеристика неоновой лампы показана на рис. 16.1. При малом напряжении на электродах ток через лампу равен нулю. При зажигании лампы ток скачком достигает силы Iз. Дальнейшее увеличение напряжения вызывает постоянное возрастание тока в лампе по прямой аb. Если уменьшить напряжение, то ток в лампе уменьшается по прямой , близкой к ab.

Для упрощения математического описания будем считать, что прямые ab и совпадают. Такая идеализированная характеристика изображена на рис. 16.2.

Когда лампа горит, её внутреннее сопротивление

есть величина постоянная. Из рис. 16.2 следует, что

 

Если лампа не горит (I = 0), то её сопротивление Ri = . Поэтому Iг = 0 и

                                                       (16.1)

Рассмотрим принцип действия релаксационного генератора (рис. 16.3).

При замыкании ключа К конденсатор медленно заряжается от батареи Uб, напряжение на электродах лампы возрастает.

В момент времени, когда напряжение на конденсаторе достигает значения Uз, лампа зажигается, через неё идёт ток. Сопротивление лампы резко падает. В цепи происходит перераспределение напряжения. Внешнее напряжение на участке конденсатор − лампа резко падает, что вынуждает конденсатор разряжаться. Когда разность потенциалов на электродах лампы упадёт до значения Uг, лампа гаснет. Сопротивление участка конденсатор − лампа резко возрастает. Перераспределение напряжения вынуждает конденсатор вновь заряжаться.

Таким образом, лампа будет периодически вспыхивать через определённые промежутки времени T, определяющие период колебаний.

Релаксационный генератор описанного типа является источником пилообразного напряжения.

Найдём зависимость между временем t и параметрами генератора R, C, Uз и Uг.

Согласно закону Ома и первому правилу Кирхгофа,

                                                       (16.2)

                                                         (16.3)

где IR − напряжение на сопротивлении R; U − разность потенциалов между обкладками конденсатора, I1 − ток через конденсатор, I2 − ток через лампу.

Таким образом, имеем систему трёх уравнений (16.1) − (16.3). Исключая из полученной системы I и I2, получаем

                                          (16.4)

Так как , , то .

Следовательно, (16.4) примет вид

Решением этого дифференциального уравнения является

                           (16.5)

в чём можно убедиться непосредственной подстановкой (А − постоянная интегрирования).

Запишем (16.5) для момента времени, предшествующего зажиганию лампы. Пусть − промежуток времени от момента включения до момента зажигания. Если лампа не горит, то её сопротивление Ri = . Уравнение (16.5) принимает вид

                                               (16.6)

Уравнение (16.6) справедливо от момента включения до любого момента времени, предшествующего зажиганию ( 0  t  ). Из начальных условий t = 0, U = 0 получаем RA = Uб, следовательно, напряжение на обкладках конденсатора в момент времени t

                                               (16.7)

Зависимость  может наблюдаться непосредственно на экране электронно-лучевого осциллографа.

Положим, что t = − промежутку времени, необходимому для зажигания лампы. Тогда

Величина  есть постоянная для данной неоновой лампы.

Если вместо известного сопротивления R включить неизвестное Rx, то период колебаний изменится

Сравнивая последние уравнения, получаем

                                          (16.8)

Аналогично, если вместо известной ёмкости С включить неизвестную, то период колебаний снова изменится, т.е.

откуда

                                          (16.9)

16.2. Порядок выполнения работы

  1.  Собрать цепь по схеме (рис. 16.4).
  2.  Включить осциллограф. После появления на экране светящегося пятна с помощью соответствующих рукояток смещения луча по осям Х и Y установить пятно в центре экрана. С помощью рукояток «Яркость» и «Фокус» получить светящуюся точку средней яркости.
  3.  Переключатель «Синхронизация» поставить в положение 3, соответствующее оптимальным условиям эксперимента в данной работе, переключатель частоты развёртки − в положение, отмеченное на шкале числом 3000.

  1.  Подать на вход осциллографа исследуемое напряжение. Плавно увеличить напряжение, подаваемое от источника питания, и добиться зажигания неоновой лампы.
  2.  Зарисовать осциллограмму релаксационных колебаний.
  3.  Провести аналогичные наблюдения при двух − трёх значениях напряжения.
  4.  Отключить осциллограф. Переключателем подключить сопротивление R = 4,3 МОм и конденсатор ёмкостью C = 0,25 мкФ.
  5.  Секундомером определить время 25 вспышек неоновой лампы и вычислить период колебаний T = .
  6.  Заменить сопротивление R неизвестным сопротивлением Rx и повторить измерения. Определить T1 = 1.
  7.  По (16.8) вычислить Rx.

Контрольные вопросы и задания

  1.  Какой процесс называется релаксационным?
  2.  Объяснить устройство и принцип действия неоновой лампы.
  3.  Где применяются релаксационные генераторы?
  4.  Показать, что выражение (16.5) является решением уравнения (16.4).
  5.  Принцип измерения больших сопротивлений и ёмкостей с помощью неоновой лампы.
  6.  Объяснить работу генератора релаксационных колебаний.

[2, § 167, 170; 5, § 87, 90; 8; 12]

119


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13766. Пишем сочинение на лингвистическую тему 175.5 KB
  1. Как сформулировано задание С2. Напишите сочинениерассуждение приняв в качестве тезиса слова известного лингвиста Г. Степанова: Словарь языка свидетельствует о чём думают люди а грамматика – как они думают. Аргументируя свой ответ приведите по 1 примеру из проч...
13767. Терминологический словарь к ЕГЄ. Биология 956 KB
  Аберрации. См. Мутации хромосомные. Абиогенез от греч. а частица отрицания bios жизнь и genesis рождение появление процесс возникновения живых организмов из веществ неорганической неживой природы. Автор гипотезы А.И. Опарин 1924. Абиотические экологические факторы о...
13768. Шпаргалка к ЕГЄ. Биология 202.5 KB
  1.Предмет задачи и методы изучения общей биологии. Значение общей биологии. Впервые этот термин был предложен в 1802 г. французким ученым Ж. Б. Ламарком. Для обозначения науки о жизни как особом явлении природы. Современная биология – это комплекс биологических наук изуча...
13769. Шпаргалка к ЕГЄ. Генетика и Биология 187 KB
  1Методы изучения наследственности человека Применимость к человеку классического генетического анализа как основного метода изучения наследственности и изменчивости исключена изза невозможности экспериментальных скрещиваний длительности времени достижения поло...
13770. ОЛИМПИАДЫ ПО ИНФОРМАТИКЕ ЗАДАЧИ И РЕШЕНИЯ ПАСКАЛЬ 513.5 KB
  ОЛИМПИАДЫ ПО ИНФОРМАТИКЕ ЗАДАЧИ И РЕШЕНИЯ ЧАСТЬ 1 Задача №1 У продавца и покупателя имеется неограниченное количество монет достоинством к примеру. Покупатель купил товар на сумму n. Нужно найти минимальное количество монет которые будут использованы при рас...
13771. Курс лекций по языку программирования QBASIC 351.5 KB
  Введение Данный курс лекций по языку программирования QBASIC разработан согласно временному региональному компоненту государственного образовательного стандарта и может быть использован для ведения лекций преподавателями школ и лицеев а также учащимися как учебное...
13772. Системы счисления и перевод между ними 233 KB
  Оглавление Системы счисления Двоичная система счисления 8ая система счисления 16ая система счисления Перевод чисел из одной системы счисления в другую Перевод из 2ой системы в 10ую Пер...
13773. Методы решения иррациональных неравенств 61.6 KB
  Методы решения иррациональных неравенств. I Неравенствах вида решаются следующим образом. Если то решений нет. Если то неравенству соответствует равносидьная система II Неравенствах вида решаются следующим образом. Если то решений нет. Если то нераве...
13774. Методы решения иррациональных уравнений 113.5 KB
  Методы решения иррациональных уравнений. I Метод возведения в четные степени неравносильный переход нужна проверка и нечетные степени равносильный переход. II Уравнения вида решаются следующим образом. Уравнению вида соответствует равносильная система ...