Электричество. Лабораторная работа №7. Лабораторная работа 7 изучение электрических процессов в цепи с газоразрядным диодом
 Скачать 100 Kb.
|
Лабораторная работа № 7ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЦЕПИ С ГАЗОРАЗРЯДНЫМ ДИОДОМ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение релаксационных процессов в электрических цепях с конденсаторами и газоразрядным диодом. Ознакомление принципа работы релаксационного лампового генератора пилообразных колебаний. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ Если электрическая цепь включает в себя источник постоянного тока и конденсатор, то в такой цепи возможно наблюдение процессов заряда и разряда конденсатора. Принципиальная схема показана на рис. 1. Эти процессы детально были рассмотрены в лабораторной работе №6, поэтому ограничимся лишь некоторыми замечаниями. П  редположим ,что мгновенное значения тока одно и то же во всех поперечных сечениях провода, соединяющего обкладки конденсатора, а мгновенное электрическое поле такое же, как электростатическое при тех же зарядах на обкладках конденсатора. Токи и поля, удовлетворяющие этим условиям, называются квазистати-ческими или квазистационарными. Рис. 1 Условие квазистационарности выполняется в том случае, если  ,где L – длина проводника, соединяющего обкладки конденсатора с – скорость света в вакууме – характерное время протекания процессов в электрической цепи. Приведем зависимость напряжения на конденсаторе от времени, полученную в лаб. работе №6, в 2-х случаях : при заряде конденсатора  , (1)при разряде конденсатора  , (2)где – напряжение на конденсаторе в начальный момент времени t=0 (напряжение источника ЭДС) =RC – время релаксации. Э  ти зависимости представлены на рис. 2. Рис. 2 Рассмотрим релаксационные колебания в цепи, содержащей конденсатор и неоновую лампу. На рис. 3 представлена схема генератора релаксационных колебаний, основанного на использовании RC-цепи. Г  енератор работает следующим образом. Конденсатор емкости С, параллельно которому присоединена неоновая лампа НЛ, заряжается от источника ЭДС через большое сопротивление R. Рис. 3 Е  сли бы неоновой лампы не было, то напряжение конденсатора UC увеличивалось бы с течением времени, согласно пунктирной кривой на рис. 4, которая описывается уравнением (1), и стремилось бы асимптотически к ЭДС источника (U0). Рис. 4 При наличии неоновой лампы происходит следующее. Когда напряжение UC достигает напряжения зажигания UЗ, в лампе возникает газовый разряд, и конденсатор начинает быстро разряжаться через лампу, поскольку сопротивление неоновой лампы RЛ при наличии разряда значительно меньше сопротивления R. Когда UC уменьшается до значения напряжения гашения разряда UГ, разряд в лампе прекращается и конденсатор начинает опять заряжаться, а напряжение UC расти. Затем в определенный момент времени в лампе снова зажигается разряд и описанные процессы повторяются периодически. График релаксационного процесса приведен на рис. 4. Очевидно, что период колебаний Т определяется выражением Т=Т1+Т2, (3) где Т1 – время заряда, за которое напряжение на конденсаторе изменяется от UГдо UЗ Т2 – время разряда, за которое напряжение изменяется от UЗ до UГ. Поскольку R>>RЛ, то Т1>>Т2, т.к. значения Т1 и Т2 в первом приближении пропорциональны постоянным времени цепей заряда 1=RC и разряда 2=RЛС, соответственно. Следовательно, период процесса ТТ1. Используя уравнение (1), можно получить выражение для периода Т:  . (4)Роль переключателя, обеспечивающего попеременный заряд и разряд конденсатора, играет газоразрядный диод. Работа газоразрядных (ионных) ламп основана на явлении электрического разряда в газах. Конструктивно ионные лампы представляют собой систему из двух (или более) электродов, размещенных в герметизированном баллоне, заполненном каким-либо инертным газом, водородом или парами ртути. В зависимости от вида разряда различают лампы с самостоятельным и несамостоятельным разрядами. Испускаемые катодом в результате эмиссии электроны ускоряются электрическим полем до потенциала ионизации. Столкновения электронов с молекулами газов приводят к ионизации молекул. Ускоренные полем положительные ионы бомбардируют катод, вызывая появление новой порции электронов. В том же направлении действует и фотоэффект, обусловленный свечением газового разряда в результате процесса рекомбинации. В баллоне лампы образуется газоразрядная плазма с большой концентрацией электронов и ионов, которые и являются носителями зарядов. Минимальное значение напряжения между катодом и анодом, при котором происходит образование в лампе газоразрядной плазмы, носит название потенциала зажигания UЗ. Прекращение свечения лампы происходит при более низком напряжении, которое называется потенциалом гашения UГ. З  ависимость тока от напряжения для газоразрядной лампы не подчиняется закону Ома и характеризуется рядом особенностей при малых напряжениях (рис. 5). При напряжениях U<UЗ лампа не пропускает тока (не горит). Ток в лампе возникает только в том случае, когда напряжение между электродами лампы достигает напряжения зажигания UЗ. При этом величина тока скачком устанавливается равной I1, которая при дальнейшем увеличении напряжения U растет по закону, близкому к линейному. При уменьшении напряжения на горящей лампе до UЗ лампа еще не гаснет, и сила тока продолжает уменьшаться. Лам-па перестает пропускать ток лишь при напряжении гашения UГ, которое обычно существен-но ниже UЗ. Сила тока при этом скачком падает от значения I2 до нуля.Рис. 5 Различие напряжений зажигания и гашения дает возможность использовать неоновую лампу для получения электрических колебаний “пилообразного типа”. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ Принципиальная схема установки показана на рис. 6.  Рис. 6 Схема состоит из источника постоянного тока ИП, неоновой лампы НЛ, универсального вольтметра V, с пределом измерений напряжения свыше 100 В. Для контроля колебаний,возникающих в цепи, применяется электронный осциллограф ЭО и громкоговоритель ГГ, включенный в цепь через усилитель УС. Набор конденсаторов различных емкостей и сопротивлений позволяет формировать RC-цепи с разными временами релаксации. Переключатели К1 и К3 позволяют изменять значения R и С. Ключом К2 RC-цепочка подключается в цепь заряда. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Упражнение 1. СНЯТИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕОНОВОЙ ЛАМПЫ На вольтметре В7-21 кнопки 1 и 5 установить в нажатом состоянии, кнопки 4 и 6 – в отжатом, установить предел измерений напряжения «200 В». Переключатель К1 перевести в положение «измерение UЗАЖИГАНИЯ». Медленно передвигать регулятор напряжения R6 до тех пор, пока лампа не загорится. Зафиксировать напряжение зажигания UЗ и занести показания в таблицу 1. Определить напряжение гашения UГ при уменьшении напряжения (движение R6 в обратную сторону). Занести и эти показания в таблицу 1. Таблица 1  № п/п UЗ, В UГ, В 1 2 …… Указанные измерения UЗ и UГ провести не менее трех раз и вычислить средние значения. Определить погрешности UЗ и UГ как абсолютные погрешности:  ,  .После измерений перевести переключатель К1 в нейтральное положение. Таблица 2  № п/п U, B R, Moм С, мкФ Т=t10/10 ТРАСЧ экс 1 2 Упражнение 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРИОДА РЕЛАКСА-ЦИОННОГО ПРОЦЕССА С НЕОНОВОЙ ЛАМПОЙ (Случай большого периода колебаний) Переключатель К1 перевести в положение «Релаксация». Установить потенциометром R6 максимальное напряжение. Измерить период колебаний Т при нескольких выбранных значениях R и С, отсчитывая по секундомеру время десяти вспышек неоновой лампы t10. Числовые значения R1,2 и С1–4 указаны на рис. 6. Варианты соединений взять из табл. 3 (выбрать переключателями К2, К3). Рассчитать период Т по формуле (4) и занести в таблицу 2. Таблица 3  Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 К3, 2,2 М К3, 2,2 М К3, 4,4 М К3, 4,4 М К2, 1 мкФ К2, 2 мкФ К2, 1 мкФ К2, 2 мкФ Упражнение 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРИОДА РЕЛАКСА-ЦИОННОГО ПРОЦЕССА С НЕОНОВОЙ ЛАМПОЙ (Случай малого периода колебаний) Переключатель К1 остается в положении «Релаксация». Числовые значения R и С устанавливаются переключателями К2 и К3. Их значения указаны в таблице 4. Таблица 4      Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 К3, 2,2 М К3, 2,2 М К3, 4,4 М К3, 4,4 М К2, 1 нФ К2, 10 нФ К2, 1 нФ К2, 10 нФ Так как параметр Т лежит в диапазоне 130 мс, то измерение периода производится с помощью осциллографа. Звуковой сигнал, создаваемый громкоговорителем, дает представление о частоте следования импульсов (сила звука регулируется). Определить длительность периода с помощью осциллографа и занести результаты в таблицу 2. Оценить погрешности определенной экспериментально ТЭКС следующим образом  ,где t– абсолютная погрешность измерений времени колебаний t – средняя длительность 10 колебаний. Оценить величину относительной погрешности ТРАСЧ по приближенной формуле  ,где и – постоянная времени заряда и ее абсолютная погрешность. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ1. Каким током заряжается конденсатор: переменным или постоянным? 2. Чему равна энергия заряженного конденсатора? 3. Вывести уравнение зарядки конденсатора. 4. Напишите закон Ома для полной цепи и для участка цепи. 5. Вывести уравнение разрядки конденсатора. 6. Почему время зарядки конденсатора больше времени разряда ТЗАРТРАЗ ? 7. Изобразить и объяснить графики зависимости напряжения на конденсаторе во время его заряда и во время разряда. 8. Что такое периодический процесс? Является ли исследуемый процесс зарядки-разрядки конденсатора периодическим? 9. Что означают понятия «эмиссия» и «ионизация»? 10. Откуда в лампе , заполненной нейтральным инертным газом, появляются ионы и электроны? 11. От чего зависит концентрация электронов и ионов в лампе? 12. Что такое рекомбинация? 13. Что такое “самостоятельный” и “несамостоятельный” разряды? 14. Что такое электрическое квазистационарное поле? 15. Что такое плазма? 16. Пользуясь принципиальной схемой установки, объяснить ее работу. 17. Можно ли считать пилообразные колебания напряжения, возникающие в данной работе, периодическим процессом? 18. Что представляет собой генератор электрических колебаний? 19. Что такое газоразрядный диод? Его устройство и принцип действия. 20. Что является источником электронов в лампе? 21. Каким требованиям должен удовлетворять осциллограф, применяемый в экспериментальной установке? 22. Каковы функции вольтметра, применяемого в данной установке? 23. Какие выходные напряжения должен обеспечивать источник постоянного тока? 24. Какие типы конденсаторов могут применяться в данной установке? 25. Чем определяются номиналы емкостей конденсаторов, применяемых в схеме установки? 26. Объяснить, чем режим «измерения UЗ» отличается от режима «релаксации». 27. Какими условиями определяются величины напряжений зажигания и гашения? Равны ли они между собой? 28. Объясните ход зависимостей напряжения U(t), тока I(t) и I(U). 29. Почему количество вспышек, отсчитываемых во время измерений, берется равным десяти? 30. Как оценить погрешности измерений? © МАТИ, 2004 |