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

14 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

49176. Расчёт структуры осесимметричных стационарных электромагнитных полей 291.5 KB
  Решение проводится в цилиндрических координатах связанных с центром цилиндра r радиусвектор точки наблюдения ось z направлена вдоль приложенного электрического поля рисунок 1. Если совместить ось z цилиндрической системы координат с осью цилиндра перпендикулярной E0 то потенциал поля не будет зависеть от координаты z и уравнение Лапласа запишется в виде ∆φ= 1.11 Величину служащую для описания...
49177. Комплексная система защиты информации на предприятии. Методические указания 204.5 KB
  Организация и технология защиты информации профиль подготовки: Специалист по защите информации. Организация и технология защиты информации; учебными планами по специальностям; общими указаниями по организации и методике проведения курсового проектирования в вузах; положением о курсовых работах НОО ВПО НП ТИЭИ. Данные методические указания предназначены для студентов 5го курса для выполнении...
49178. Я и физика 21.86 KB
  Слово энергия произносят все кому не лень но редко кто хотя бы немного разбирается в энергетике науке об энергии. Энергетика на самом деле не является наукой об энергии она скорее отрасль производства но все равно именно она увлекла меня настолько что я уверена в том что мое будущее будет связано именно с этой отраслью физики. Конечно традиционные энергетические ресурсы это хорошо и было бы кощунственно их не использовать но меня также привлекают и альтернативные источники энергии. В недалеком будущем когда в мире постепенно...
49179. Підприємство, яке спеціалізується на виробництві двох видів виробів 97.6 KB
  Суму витрат на виготовлення продукції кошторис та собівартість одиниці виробу калькуляцію. Оптимальна кількість факторів виробництва кількість обладнання та чисельність робітників визначається із системи рівнянь: де запланований обєм виробництва двох виробів; Звідки середня місячна заробітна плата 1 го робітника; витрати на утримання та експлуатацію обладнання грн міс; Ціна одиниці обладнання взята без ПДВ гранична норма технологічного заміщення виробництва Використавши цю рівність...
49181. Принципиальная схема управляемого блока питания для двигателя в механизме подъёма хирургического стола 633.32 KB
  Механический стол показанный на рисунок 1 уже устаревший но до сих пор успешно применяется в области медицинского приборостроения. Рисунок 1. Механический стол Гидроприводные столы рисунок 2 являются следующим этапом развития конструкции операционного стола. Рисунок 2.
49182. Разработка игры «Морской бой» с ИИ 4.29 MB
  Разработанный программный продукт реализует классическую версию игры «морской бой» с возможностью выбора уровня сложностей и визуализацией. Кроме того, в проекте реализована система ведения статистики игры. Среди рассмотренных аналогов ни один не обладал всеми этими возможностями сразу.
49183. Жизнедеятельность М. Вебера. Теория познания и методология 246.2 KB
  Вебере и его трудах несмотря на то что современная социология уже ушла далеко вперед актуальность этой теме не вызывает сомнений. Вопервых потому что как и всякий крупный ученый М. Вебера не только классическую социологическую теорию но и чтото новое современное и апеллирующее к непреложным и неизменным законам по которым живет социум.: Аграрная история древнего мира 1923 сразу поставившие его в ряд наиболее крупных ученых свидетельствуют о том что он усвоил требования исторической школы и умело пользовался...
49184. Понятие марксистской социологии. Диалектический материализм и социология 161.07 KB
  Устами своих основоположников Карла Маркса и Фридриха Энгельса она заявила о себе как о научном истолковании исторического процесса базирующемся на объективных данных исторической экономической социологической и других науках. Марксом и Ф.