Stan układu w którym posiada on minimalną energię, dla określonych warunków zewnętrznych, nazywamy stanem równowagi. Osiąganie stanu równowagi może być osiągnięte przez rozpraszanie lub zwiększanie energii przez układ. Np. stygnięcie lub nagrzewanie ciał w zależności od zewnętrznych warunków termicznych.

Zmiany energii w obu procesach, osiągania przez układ stanu równowagi na drodze zwiększania energii, lub jej rozpraszania noszą nazwę procesów relaksacyjnych.

Oba procesy, wymuszenie wzrostu energii układu oraz jej rozpraszania mogą występować naprzemienie, jeżeli przy pzekazywaniu energii z otoczenia do układu osiąga on stan równowagi nietrwałej. W tym momencie układ może spontanicznie rozproszyć zgromadzoną energię wielokrotnie szybciej niż jest mu przekazywana.

W przypadku cięgłego dostarczania energii, jej zmiany będą zachodzić periodycznie , gdyż każdorazowo po osiągnięciu stanu równowagi nietrwałej uzyskana energia zostanie rozproszona. W układzie powstaną drgania zwane drganiami relaksacyjnymi. Celem naszego ćwiczenia była obserwacja drgań relaksacyjnych w obwodach RC. Uzyskanie drgań relaksacyjnych możliwe jest dzięki zastosowaniu lampy neonowej,której charakterystyczną cechą cechą jest tzw. zdolność kluczowania, czyli zwierania lub rozwierania gałęzi obwodu w zależności od napięcia na swoich zaciskach.

Schemat układu do obserwacji drgań przedstawia poniższy rysunek.

Wielkościami charakterystycznymi lampy neonowej jest napięcie zapłonu - Uz oraz napiięcie gaśnięcia - Ug.

Dla zakresu napięć niższych od napięcia zapłonu lampa praktycznie nie przewodzi prądu i zachodzi wyłącznie proces ładowania kondensatora. Po zgromadzeniu na okładkach kondensatora ładunku o różnicy potenciałów równej wartości napięcia Uz lampy neonowej zachodzi jonizacja lawinowa zamkniętego w bańce gazu i jej zdolność przewodzenia lawinowo wzrasta, dalsze ładowanie kondensatora aż do napięcia g zostaje przerwane. Rozpoczyna się proces rozładowywania kondensatora poprzez małą rezystancję neonówki Rw. Dopiero po obniżeniu napięcia o kilkanaście woltów, poniżej napięcia gaśnięcia Ug, rezystancja neonówki gwałtownie wzrasta i ponownie rozpoczyna się proces ładowania kondensatora.

Napięcie na okładkach kondensatora narasta i zanika wykładniczo oscylując między wartościami Uz i Ug.

Ładowanie kondensatora przebiega w czasie t1 od napięcia Uc(t)=Ug do napięcia Uc(t+t1)=Uz. Wyrażenia na końcowe wartości napięcia można zapisać w postaci: g-Ug=ge-t/RC ; g-Uz=ge-t/RCe-t1/RC

Po podzieleniu obu równań stronami i obustronnym zlogarytmowaniu otrzymujemy wyrażenie na czas ładowania kondensatora t1

t1= RC ln[(g-Ug)/(g-Uz)]=RCK

Postępując analogicznie otrzymujemy czas rozładowania kondensatora t2:

t2=RnC ln Uz/Ug Okrse drgań relaksacyjnych T jest sumą czasów ładowania i rozładowywania

T=t1+t2

Graficzny obraz drgań relaksacyjnych oraz ładowania i rozładowywania kondensatora przedstawiają poniższe wykresy.

Pierwszym etapem naszego ćwiczenia było wyznaczenie napięcia zapłonu - Uz oraz napięcia gaśnięcia Ug lampy neonowej.

Schemat układu pomiarowego.

Zmierzone wartości obarczone sę błędem:

Otrzymane więc wartości Uz i Ug możemy zapisać

Uz=(155,3±0,4)V

Ug=(150,4±0,2)V

Mając wyznaczone wartości Uz i Ug możemy przystąpić do badania procesów relaksacyjnych w zależności od oporności i pojemności.

Schemat układu pomiarowego:

Rezystancje oporników mają nstępujące tolerancje

R1= 4700±470kW (10%)

R2= 3000±150kW (5%)

R3= 2500±125kW (5%)

R4= 1500±70kW (5%)

R5= 1000±50kW (5%)

Kondensatory

C1= 1±0,1mF (10%)

C2= 0,68±0,07mF (10%)

Tobl=RCK

K=(0,6±0,1)

Wykresy zależności T=f(R)

dla pojemności 1 mF

dla pojemności 0,68 mF

---