Politechnika Śląska w Gliwicach Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki grupa 8

SPRAWOZDANIE Z LABORATORIUM Z FIZYKI

TEMAT: Drgania neonówki w układzie RC.

Sekcja 9 Tapper Tomasz Twardawa Mariusz

I. Część teoretyczna.

Drgania relaksacyjne są drganiami samo wzbudnymi i charakteryzują się tym, że część energii zgromadzonej w tzw. akumulatorze rozprasza się w postaci ciepła.

Elektryczne drgania relaksacyjne powstają w obwodzie z elementem nieliniowym, np. lampą gazowaną, diodą tunelową, diodą Zenera. W badanym układzie nieliniową charakterystykę prądowo-napięciową lampy jarzeniowej. Jest to lampa dwuelektrodowa, wypełniona gazem szlachetnym (np. argonem, neonem lub ich mieszaniną) pod niewielkim ciśnieniem. Katody niklowe lub molibdenowe są aktywowane cezem, sodem lub potasem. Po przyłożeniu do elektrod napięcia zaczyna płynąć niewielki prąd, bowiem w bańce zawsze znajdzie się śladowa liczba jonów. Przy odpowiednio dużym natężeniu pola elektrycznego przyspieszone elektrony zaczynają jonizować cząsteczki gazu. Dodatnie jony przyspieszone polem elektrycznym bombardują powierzchnię katody powodując powstanie nowych elektronów. Elektrony te dążąc do anody jonizują cząsteczki gazu. Zachodzi więc proces, w którym katoda otrzymuje więcej jonów dodatnich, niż emituje elektronów. Jony te mają małą ruchliwość i wokół katody tworzy się obszar ładunku przestrzennego przyspieszającego elektrony. Dochodzi do wyładowania lawinowego i przez gaz płynie znaczny prąd. Procesowi jonizacji towarzyszy wzbudzanie atomów gazu i w konsekwencji świecenie katody. Wielkość obszaru świecącego w pobliżu katody zależy od natężenia prądu, a gęstość prądu pozostaje stała. W pobliżu katody mamy do czynienia z dużym spadkiem potencjału, tzw. spadkiem katodowym, między obłokiem dodatnich jonów i katodą. Bardzo słaba zależność napięcia katodowego od natężenia prądu wykorzystana jest do stabilizacji napięcia w tzw. stabiliwoltach.

Napięcie niezbędne do zainicjowania wyładowania samoistnego nazywa się napięciem zapłonu U_z. Wartość napięcia zapłonu zależy od rodzaju gazu wypełniającego lampę i rodzaju materiału katody. Należy zaznaczyć, że mechanizm wyładowania w gazach szlachetnych jest inny niż w rozrzedzonym powietrzu. Nie ma jonów ujemnych, a zderzenia elektronów z atomami gazu można w szerokim zakresie energii uważać za sprężyste ( dla neonu potencjał jonizacji wynosi 21,5 V). Wyładowanie jarzeniowe może być przerwane dopiero po obniżeniu napięcia do tzw. napięcia gaśnięcia U_g, niższego od napięcia zapłonu o kilkanaście Voltów.

Niech w elektrycznym obwodzie RC prądu stałego znajduje się jarzeniówka połączona równolegle z kondensatorem. Dla małych napięć zgodnie z II prawem Kirchoffa mamy:

Wykorzystując definicję pojemności elektrycznej:

i natężenia prądu:

otrzymujemy równanie różniczkowe

Rozdzielając zmienne i wykonując całkowanie otrzymamy równanie zmian napięcia podczas ładowania kondensatora:

Iloczyn RC nazywamy stałą czasową układu.

Napięcie na kondensatorze (oraz na neonówce) narasta do wartości równej napięciu zapłonu U_z. Przez neonówkę zaczyna płynąć prąd i kondensator rozładowuje się do napięcia gaśnięcia U_g. Neonówka przestaje przewodzić prąd i cykl ładowania kondensatora powtarza się. Czas ładowania kondensatora od napięcia gaśnięcia U_g do napięcia zapłonu U_z wyniesie:

Najprostszy układ do generowania drgań relaksacyjnych składa się z neonówki i równolegle przyłączonego kondensatora oraz szeregowo połączonego opornika o dużym oporze.

Kondensator ładuje do momentu osiągnięcia napięcia granicznego neonówki i po jego przekroczeniu stanie się przewodnikiem, co spowoduje przepływ prądu w obwodzie i tym samym rozładowanie kondensatora. Proces ten zatrzyma się w momencie, gdy napięcie spadnie do U­­_g, co spowoduje przerwanie obwodu i rozpoczęcie ładowania kondensatora. Cykl pracy powtarza się.

II. Przebieg ćwiczenia.

Zestaw doświadczalny składa się ze wspomnianego układu zawierającego opór, kondensator oraz neonówkę. Za pomocą podłączonego oscyloskopu można obserwować napięcie na kondensatorze. Pojemność kondensatora znajdującego się w obwodzie reguluje się w szerokim zakresie pojemności (do obwodu włączony jest kondensator dekadowy). Napięcie do obwodu dostarczane jest poprzez zasilacz wysokiego napięcia (300 V).

III. Tabela pomiarowa

Tapper Tomasz

Twardawa Mariusz

3.01.2000

sekcja 9

---