Файл: laby_2_semestr_fizika.pdf

101 

3.  Записать  зависимость  заряда  и  напряжения  на  конденсаторе,  а 

также силы тока в цепи от времени. 

4. Что такое фазовая кривая? Каково еѐ физическое значение? 
5. Что такое критическое сопротивление контура? Как оно вычисляется? 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 72 

Изучение релаксационных колебаний  

Цель 

работы: 

снятие 

вольт–амперной 

характеристики 

газонаполненной лампы и изучение релаксационных колебаний. 

Методика измерений 

Релаксационные  колебания  – 

незатухающие  негармонические 
колебания  нелинейных  систем, 
для 

которых 

характерно 

накопление 

и 

сбрасывание 

энергии (relaxation – ослабление). 
Их  генератором  может  служить 
система:  газонаполненная  лампа 
– конденсатор (рис.8.16). 

При  включении  источника  ( )  начальное  сопротивление  не 

зажженной  лампы  велико,  конденсатор  С  заряжается,  одновременно 
растет разность потенциалов на электродах газонаполненной лампы. 

Газы в естественном состоянии состоят из электрически нейтральных 

атомов  и  молекул,  т.е.  не  содержат  свободных  зарядов  и  поэтому  не 
проводят  электрический  ток.  Проводить  они  могут  только  если  часть 
молекул ионизируется – расщепляется на положительные и отрицательные 
ионы. Обычно происходит расщепление на одновалентный положительно 
заряженный  ион  и  электрон.  Ионизация  может  происходить  под 
влиянием  различных  воздействий  на  газ,  например,  нагрева, 
космических  лучей,  и  др.  Наряду  с  процессом  ионизации  в  газе 
происходит  и  обратный  процесс  –  рекомбинация,  т.е.  воссоединение 
положительных и отрицательных ионов в нейтральный атом. 

Если  газ,  находящийся  под  действием  внешнего  ионизатора, 

заключен  в  колбу  с  впаянными  в  нее  электродами  (―лампа‖),  то  при 
подаче  на  электроды  напряжения  через  газ  потечет  ток,  который 
называют  газовым  разрядом.  В  этом  случае  электропроводность  газа 
создается  за  счет  внешнего  ионизатора,  и  ток,  возникающий  в  нем, 
называется  несамостоятельным  разрядом.  С  прекращением  действия 
внешнего ионизатора такой разряд прекращается.  

Рис. 8.16 

лампа 

– 

+   

C 

R 

102 

Электрический  ток  в  газе,  сохраняющийся  после  прекращения 

действия  внешнего  ионизатора,  называется  самостоятельным  газовым 
разрядом.  Для  его  осуществления  необходимо,  чтобы  в  результате 
самого  разряда  в  газе  непрерывно  образовывались  свободные  заряды. 
Плотность тока в газе 

nE

)

q

q

(

j

, 

( 8.46) 

Здесь 

+

  и 

–

  –  подвижности  положительного  q

+

  и  отрицательного  q

–

зарядов (подвижность – скорость упорядоченного движения заряда при 
напряженности  электрического  поля,  равной  единице);  n  – 
концентрация зарядов, Е   напряженность электрического поля. 

На  рис.8.17  показана  вольт–амперная  характеристика  газового 

разряда  в  лампе.  При  малых  напряжениях  на  электродах  лампы 
(участок 1 на рис.8.17) ионы и электроны под действием сил со стороны 
электрического поля Е будут двигаться к противоположным электродам 
лампы, а сила тока будет пропорциональна напряженности электрического 
поля (разности потенциалов) в соответствии с законом Ома. 

С  увеличением  разности  потенциалов  (участок  2)  линейная 

зависимость  нарушается.  Это  связано  с  тем,  что  под  действием 
электрического поля значительная часть ионов и электронов достигает 
электродов.  Начиная  с  некоторого  значения  напряжения  (участок  3). 
ток  остается  неизменным  с  увеличением  напряжения  (i

н

  –  ток 

насыщения).  Это  объясняется  тем,  что  все  заряды,  возникшие  в  газе 
под действием внешнего ионизатора, достигают электродов лампы, не 
успевая  рекомбинировать.  Поэтому  при  неизменной  интенсивности 
ионизации  не  происходит  дальнейшего  роста  тока  при  увеличении 
напряжения. 

Газовый  разряд,  происходящий  на  участках  1,  2  и  3  является 

несамостоятельным  газовым  разрядом.  При  дальнейшем  увеличении 

2 

4 

3 

1 

Рис. 8.17 

i 

i

н

u 

самостоятельный 

разряд

несамостоятельный 

разряд

103 

напряжения  (участок  4)  происходит  резкое  увеличение  тока.  Это 
объясняется ударной ионизацией: электроны, возникшие в газе за счет 
внешнего  ионизатора,  во  время  своего  движения  к  аноду  под 
действием  электрического  поля  приобретают  энергию,  достаточную 
для ионизации нейтральных молекул газа при столкновении с ними. 

Но  переход  от  несамостоятельного  разряда  к  самостоятельному 

становится возможным лишь при таком напряжении между электродами, 
когда положительные ионы также приобретают энергию, достаточную 
для  ионизации  молекул  газа.  В  этом  случае  внешний  ионизатор  не 
играет  существенной  роли  в  осуществлении  газового  разряда,  так  как 
число  создаваемых  им  первоначальных  ионов  мало  по  сравнению  с 
числом  вторичных  ионов  и  прекращение  действия  ионизатора  не 
влияет  на  протекание  разряда.  Опыт  показывает,  что  кроме  того 
наблюдается выбивание ионами электронов с поверхности катода. 

Повышая  напряжение  на  электродах,  можно  возбудить  все  эти 

процессы  и  осуществить  переход  от  несамостоятельного  разряда  к 
самостоятельному.  Этот  переход  называется  электрическим  пробоем 
газа,  а  соответствующее  напряжение  –  напряжением  зажигания  (u

з

). 

Оно  зависит  от  химической  природы  газа,  материала  катода,  формы 
электродов  и  расстояния  между  ними,  давления  газа  и  наличия  в  нем 
примесей. 

Идеализированная 

вольт–амперная 

характеристика 

газонаполненной  лампы  приведена  на  рис.8.18.  Как  следует  из 
характеристики, если увеличивать разность потенциалов на электродах 
лампы, то при значении u = u

з

 скачком устанавливается значение тока, 

равное  i

з

  –  лампа  ―загорается‖.  При  дальнейшем  возрастании 

напряжения ток растет по закону, близкому к линейному.  

Если  затем  уменьшать  напряжение  на  ―горящей‖  лампе,  то  при 

напряжении,  равном  u

з

,  лампа  еще  не  гаснет.  Продолжая  уменьшать 

напряжение,  можно  увидеть,  что  лишь  при  некотором  напряжении  – 

u 

i

г

i

з

i 

u

г

u

з

Рис. 8.18 

 0 

u

г

u

з

Рис. 8.19 

t 

t

1

t

2

u 

ЭДС 

источника

104 

напряжении гашения u

г

, которое меньше, чем u

з

, лампа ―гаснет‖ и ток i

г

скачком  резко  падает.  На  этом  самостоятельный  разряд  в  лампе 
прекращается.  При  дальнейшем  возрастании  напряжения  процесс 
повторяется.  Следует  заметить,  что  для  реальной  лампы  зависимость          
i = f(u) не является линейной. 

Критическое значение энергии конденсатора 

2

Cu

W

2

з

kp

. 

(8.47) 

Оно равно работе, совершаемой при горении лампы. 
Зависимость  от  времени  напряжения  на  конденсаторе  показана  на 

рис.8.19  и  представляет  собой  негармонические  релаксационные 
колебания.  Наблюдая  эти  колебания  на  экране  осциллографа,  можно 
рассчитать их период: 

2

1

t

t

T

; здесь t

1

 – время накопления энергии, 

t

2

 – время сброса. 

Период  релаксационных  колебаний  в  генераторе  лампа–

конденсатор  может  быть  также  определен,  если  наблюдать  на 
осциллографе фигуры Лиссажу (замкнутые линии, получающиеся при 
сложении  двух  взаимно  перпендикулярных  колебаний).  Для  этого  на 
одну  пару  пластин  осциллографа  подается  напряжение  с  генератора 
лампа–конденсатор,  на  другую  –  переменное  напряжение    известной 

частоты от звукового генератора.  

Отношение  частот  колебаний  можно 

определить  по  виду  фигуры  Лиссажу,  оно 
равно  отношению  числа  касаний  фигуры  с 
прямой,  параллельной  оси  Х  и  с  прямой, 
параллельной оси Y. На рис. 8.20 показан вид 
фигуры Лиссажу для соотношения частот 1:1. 

 Экспериментальная установка 

Схема  установки  для  наблюдения  релаксационных  колебаний 

представлена на рис.8.21. 

В состав электрической схемы установки входят: 

генератор звуковых колебаний ГЗ–106, 
электронный осциллограф (ЭО), 
генератор  лампа–конденсатор  (рис.8.16),  смонтированный  в  кассете 
ФПЭ–12/13, 
источник питания (ИП), 
магазин сопротивлений (МС), 
магазин емкостей (МЕ), 
измерительный прибор (РА). 

X 

Y 

Рис. 8.20 

105 

Напряжение  от  источника  питания  (ИП)  подается  на  вход  кассеты 

ФПЭ–12/13.  Также  к  генератору  лампа–конденсатор  (ФПЭ–12/13) 
подсоединяется  магазин  сопротивлений  (МС)  и  магазин  емкостей 
(МЕ),  что  позволяет  изменять  величину  сопротивления  контура  и 
емкость  конденсатора.  Измерительный  прибор  РА  служит  для 
измерения токов при снятии вольт–амперной характеристики лампы.  

На  вход  ―Y‖  электронного  осциллографа  (ЭО)  подается  сигнал  с 

генератора лампа–конденсатор. Звуковой генератор ГЗ-106 необходим 
для  подачи  переменного  напряжения  на  вход  ―Х‖  осциллографа  при 
наблюдении фигур Лиссажу. 

Порядок выполнения работы 

Упражнение 1. 

Снятие вольт–амперной характеристики лампы 

1. Кнопку 4 кассеты ФПЭ–12/13 перевести в состояние  ―V/A х–ка‖. 
2. Ручку  9  регулировки  напряжения  12–120 В  источника  питания 

(ИП) установить в крайнее левое положение. 

3. Измерительный  прибор  (РА)  переключателем  3  подготовить  к 

работе в режиме 3мА. 

4. Подключить  к  сети  источник  питания.  Ручкой  9  регулировки 

напряжения источника питания изменять напряжение от 40 до 110 В через 
каждые 10 В и измерять силу тока (в делениях измерительного прибора) в 
прямом направлении 

пр

i . Результаты измерений занести в табл.8.7. 

РА 

ЭО 

V/дел 

разв–Х 

ms/дел 

X 

Y 

ФПЭ12/13 

Рис. 8.21 

    МС 

   МЕ 

мкФ 

С 

R 

PA 

9 

7 

8 

6 

5 

3 

V/A 

ген

4 

1 

10 

11 

12 

2 

ИП 

V 

А 

ГЗ–106 

V 

Ом