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

13 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

78276. Ориентирование направлений 97.22 KB
  При этом положение линии определяют с помощью соответствующих углов ориентирования: дирекционного угла истинного или магнитного азимута. В этом случае положение линии местности относительно осевого меридиана определяет угол ориентирования называемый дирекционным рис. Дирекционные углы Для линии ОА её дирекционным углом в точке О является горизонтальный угол αО между северным направлением осевого меридиана и направлением линии. Таким образом дирекционным углом является угол в горизонтальной плоскости отсчитываемый от северного направления...
78277. Определение прямоугольных координат точек 475.32 KB
  Определение прямоугольных координат точек. Широта φ это угол образованный нормалью данной точки к плоскости эллипсоида и плоскостью экватора. Долгота λ это двугранный угол образованный плоскостью нулевого гринвичского меридиана и плоскостью меридиана в данной точке М Широта и долгота полностью не отражают положение точки в пространстве необходимо знать 3ю координату – высоту. Х Y Система плоских прямоугольных координат Гаусса-Крюгера Для того чтобы воспользоваться прямоугольной системой координат необходимо земной эллипсоид...
78278. Сущность измерений. Классификация и виды геодезических измерений. Линейные измерения 105.6 KB
  Основные положения регламентирующие номенклатуру и структуру органов и служб стандартизации в стране их компетенцию устанавливает ГОСТ Государственная система стандартизации. Межгосударственный стандарт Государственной системы обеспечения единства измерений ГОСТ 8. Фундаментальные физические константы ГОСТ Р 8. Основные положения ГОСТ 8.
78280. Работа редактора над фактическим материалом 73 KB
  Работа редактора над фактическим материалом Функции фактического материала в тексте Факт – предмет журналистского исследования. Приёмы изложения всегда обусловлены функциональным назначением фактического материала. Поэтому так важна правильность передачи информации сквозная оценка и точная разработка фактического материала. Работая над материалами публицистики редактор должен представлять сложность диалектических отношений между мыслью и фактом в журналистском творчестве когда непосредственный контакт с действительностью стимулирует...
78281. Виды ошибок в методике редактирования 71.5 KB
  Виды ошибок РЕЧЕВЫЕ ОШИБКИ Речевые ошибки – это ошибки в коде ошибки плана выражения. В современной науке нет терминологического названия речевой ошибки но когдато оно было. Речевые ошибки делятся на две неравноценные и неравнообъемные группы: нормативные ошибки и обыкновенные опечатки. Опечатки – механические ошибки.
78282. Способы изложения и виды текста 78.5 KB
  Традиционная классификация принятая в теории и практике редактирования выделяла три способа изложения и соответственно три вида текста: повествование описание и рассуждение в некоторых пособиях рассуждение называется изъяснительным способом изложения Цель повествования – передать движение событий во времени. Традиционная трёхкомпонентная повествование описание рассуждение схема бесспорно справедлива и достаточна при рассмотрении редактором текстов художественных произведений. Своё место в ней должно найти сообщение структура...
78283. Основные законы логического мышления и смысловой анализ текста 46 KB
  Основные законы логического мышления и смысловой анализ текста Логический анализ текста необходим на всех стадиях работы над литературным произведением необходим автору критику редактору. Классической логикой выведены и сформулированы четыре основных закона правильного мышления следуя которым мы достигаем его определённости непротиворечивости последовательности и обоснованности. Контроль за соблюдением основных законов логического мышления – обязательный этап анализа текста. Вариантность его смысловой организации не безгранична:...
78284. Виды правки в методике редактирования 44.5 KB
  При втором углублённом чтении внимание редактора направлено на восприятие каждого слова каждого знака текста. Цель редакторской правкивычитки – чтение текста насквозь. Его обязанность – заметить недостатки текста и указать на них но отнюдь не править его исключая разумеется бесспорные ошибки и буквенные опечатки. Цель правкисокращения – уменьшить объем текста довести его до заданного размера.