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

15 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

40684. Трудовые ресурсы предприятия и эффективность их использования 31.5 KB
  Более развернутое представление о возможностях и способностях рабочей силы дает понятие трудового потенциала как обобщающая характеристика человеческого фактора производства. Вместе с тем понятия трудовых ресурсов рабочей силы и трудового потенциала по существу не нацелены на изучение индивидуальных качеств человека как работника и личности. Поэтому более естественным понятием является человек труда как индивидуализированный элемент трудовых ресурсов владелец рабочей силы обладатель трудового потенциала. ...
40685. Стратегическое планирование на предприятии 29.5 KB
  Стратегия представляет собой систему управленческих решений определяющих перспективные направления развития организации сферы форм и способы ее деятельности в условиях окружающей среды и порядок распределения ресурсов для достижения поставленных целей. По содержанию стратегия это модель действий инструмент для достижения целей организации. Главной задачей разработки стратегии является достижение конкурентных преимуществ и рентабельности организации. В общем виде стратегии могут быть классифицированы следующим образом: корпоративные...
40686. Структура кадров предприятия и пути ее совершенствования 54.5 KB
  В организации состоящей из многих частей должна осуществляться определенным образом координация их деятельности. Данная координация выступает основой структуры организации которую обычно определяют как совокупность устойчивых связей в организации. Связи между частями организации осуществляются через каналы коммуникации. Виды связей соответствуют видам тех отношений между частями организации которые объединяют части в единое целое.
40687. Цена и ценообразование в рыночной экономике 137 KB
  Сейчас необходимо перейти к вопросу о том как действует механизм спроса и предложения на конкурентном рынке любого товара и каким образом рыночная цена устанавливается на таком уровне когда спрос и предложение равны. меньше уровень спроса при данном уровне доходов; и наоборот чем ниже цена тем больше будет число покупателей и количество приобретаемого товара. Изобразим эту зависимость между ценой и величиной спроса графически. Если на абсциссе обозначить количество товара Q покупаемого на рынке а на ординате движение цены Р то...
40688. Менеджмент: сущность, виды и методы 36.5 KB
  Менеджмент область управленческой и хозяйственной деятельности обеспечивающей рациональное управление экономическими процессами организации систем управления и его совершенствования в соответствии задачам социальноэкономического развития. Менеджер это специалист которого нанимают для организации и управления какимто участком для осуществления управленческой деятельности. Методы управления способы формы воздействия руководителя на подчиненных: 1. Интеграционный Интеграционный подход к менеджменту нацелен на исследование и усиление...
40689. Планирование и прогнозирование в условиях рыночной экономики 34.5 KB
  Ее обеспечивает государственное регулирование подразумевающее систему взаимодействия государства со всей совокупностью хозяйствующих субъектов с целью координации усилий направленных на решение общенациональных задач социальноэкономического развития. Индикативный план развития национальной экономики определяет и содержит обоснование целей задач направлений и методов реализации государственной социальноэкономической политики. Именно индикативный план выступает той связующей вертикалью которая обеспечивает координацию деятельности...
40690. Ценовая политика предприятия 35.5 KB
  Предлагается учитывать следующие факторы формирующие рыночные цены: Факторы спроса определяющие цену спроса на товар которую предлагает покупатель: Платежеспособный спрос который может выделить покупатель на данный товар; Уровень сбережений которые покупатель делает чтобы не покупать товар; Объем спроса количество товара которое покупатель способен приобрести при некотором уровне цены; Потребительские свойства товара его качественные характеристики; Полезность товара способность его удовлетворить потребности потребителя...
40691. Проблемы развития предпринимательства в России 29 KB
  Проблемы развития предпринимательства в России. С 1 января 2008 года вступил в силу Федеральный закон от 24 июня 2007 года № 209ФЗ О развитии малого и среднего предпринимательства в Российской Федерации далее также Федеральный закон. Одним из ключевых нововведений установленных в Федеральном законе является принципиально новый подход к критериям выделения субъектов малого и среднего предпринимательства. Согласно нормам Федерального закона к субъектам малого предпринимательства относятся внесенные в единый государственный реестр...
40692. «Жизненный цикл» товара, его экономический смысл 24.5 KB
  Иcxoдными днными для пpинятия peшeний пpи pзpбoткe или кoppeктиpoвкe пpoдyктoвoй пoлитики являeтcя нлиз жизнeннoгo цикл тoвp н pынкe кoтopый пpeдcтвляeт coбoй мoдeль pынoчнoй peкции oтpжeннoй в пpмeтpx вpeмeни и cтoимocтныx пoкзтeляx. Зня зкoнoмepнocти pзвития жизнeннoгo цикл oтдeльныx гpyпп видoв тoвpoв и пpoгнoзы длитeльнocти oтдeльныx eгo фз пpeдпpиятиe мoжeт oпpeдeлить мoмeнт нчл НИОКР зпycк в пpoизвoдcтвo и внeдpeния н pынoк нoвыx издeлий и мoдepнизции cyщecтвyющиx вpeмя yxoд c дннoгo pынк ycтpeвшиx нe пoльзyющиxcя cпpocoм...