SPRAWOZDANIE

z laboratorium z Fizyki

Cholewa Tomasz, Domicz Jacek, Maszczyńska Iwona

Wydział:

Budownictwo, semestr 3, grupa 1, sekcja 4

Temat:

Drgania neonówki w układzie RC.

I. Część teoretyczna.

Drgania w opisywanym układzie z neonówką są drganiami relaksacyjnymi, czyli takimi, w których zmiany wielkości opisujących drgania następują w sposób wykładniczy. Najczęściej spotykanym przypadkiem drgań relaksacyjnych są drgania elektryczne czyli zmiany napięcia w procesach ładowania i rozładowywania kondensatora. Podczas ładowania kondensatora napięcie na jego okładkach narasta wykładniczo - zgodnie z zależnością:

natomiast proces rozładowywania opisuje się równością:

Aby w obwodzie mogły następować cykliczne ładowania i rozładowywania kondensatora potrzebny jest jeszcze element będący w pewnych warunkach izolatorem a w innych przewodnikiem. Takim elementem jest neonówka czyli lampa elektronowa składająca się ze szklanej bańki wypełnionej gazem (najczęściej neonem) oraz dwóch metalowych elektrod pokrytych materiałem łatwo emitującym elektrony. Jeśli do takiego elementu przyłożymy zbyt małe napięcie (takie, które nie wywoła lawinowej jonizacji) będzie on izolatorem. Jeśli jednak napięcie przekroczy pewną wartość graniczną U_z neonówka zacznie zachowywać się jak doskonały przewodnik. Procesowi przewodzenia towarzyszy świecenie zjonizowanego gazu. Świecenie ustanie w momencie, gdy napięcie spadnie do wartości U_g (napięcie gaśnięcia - mniejsze od U_z ze względu na pewne procesy zachodzące w gazie).

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

Kondensator ładowany jest ze źródła wysokiego napięcia. W momencie, gdy jego wartość przekroczy napięcie graniczne neonówka stanie się idealnym przewodnikiem, co spowoduje przepływ prądu w obwodzie i tym samym rozładowanie kondensatora. Proces ten zatrzyma się w momencie, gdy napięcie spadnie do poziomu napięcia gaśnięcia, co spowoduje przerwanie obwodu i rozpoczęcie ładowania kondensatora. Tym samym zamyka się cykl pracy.

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 może być regulowana w szerokim zakresie pojemności (do obwodu włączony jest kondensator dekadowy). Napięcie do obwodu dostarczane jest poprzez zasilacz wysokiego napięcia i wynosi 300 V.

Doświadczenie polegało na zmierzeniu okresu drgań neonówki w układzie RC dwoma sposobami - za pomocą stopera i za pomocą oscyloskopu. Sposób pierwszy polegał na odpowiednim ustawieniu pojemności za pomocą kondensatora dekadowego i zmierzeniu czasu 10 błysków neonówki za pomocą stopera. W przypadku stosunkowo dużych pojemności nie było to trudne i dawało się wykonać ze stosunkowo dużą dokładnością. Natomiast przy pomiarze dla 0.3 [μF] pojawiły się kłopoty ze zliczaniem błysków ze względu na ich dużą częstotliwość. Sposób drugi polegał na zmierzeniu okresu za pomocą oscyloskopu. Ustawialiśmy go w ten sposób, aby obraz był, jeśli to możliwe, stabilny, następnie odczytywaliśmy długość krzywej ładowania wyrażoną w działkach. Tak otrzymany wynik przeliczaliśmy na sekundy mnożąc go przez wartość parametru czas/działka.

III. Opracowanie i analiza wyników pomiarów.

W doświadczeniu mierzyliśmy czas 10 pomiarów. Aby obliczyć czas jednego ładowania kondensatora wynik podzieliliśmy przez ilość pomiarów. Za błąd odczytu czasu przyjęliśmy 0.3 [s]. Mnożąc go przez 2 (włączenie i wyłączenie)
i dzieląc przez 10 otrzymujemy błąd pojedynczego pomiaru.

Pojemność [μF]	t10 [s]	Stała czasu T [s]	t [s]	Δt [s]	t [s] zaokrąglone	t / T
10	93.14	100	9.314	0.06	9.30 +0.06	0.09314
3	27.99	30	2.799	0.06	2.80 + 0.06	0.0933
1	9.61	10	0.961	0.06	0.96 + 0.06	0.0961
0.3	3.86	3	0.386	0.06	0.39 + 0.06	0.1286

Przy pomiarach za pomocą oscyloskopu za błąd pomiarowy przyjęliśmy 5%.

Pojemność [μF]	t [s]	Δt [s]	Stała czasu T [s]	t / T
0.1	100	5	1000	0.1
0.03	30	1.5	300	0.1
0.01	12	0.6	100	0.12
0.003	4,2	0.21	30	0.14
0.001	1.95	0.0975	10	0.195
0.0003	0.82	0.041	3	0.273
0.0001	0.48	0.024	1	0.48
0	0.25	0.0125	0	---

Po zaokrągleniu wyników:

Lp.	T [ms]
1	100 + 5
2	30 + 1.5
3	12 + 0.6
4	4.2 + 0.21
5	1.95 + 0.098
6	0.82 + 0.041
7	0.48 + 0.024
8	0.25 + 0.013

Najdłuższy z otrzymanych czasów: 9.30 + 0.06 [s],

Najkrótszy z otrzymanych czasów: 0.250 + 0.013 [ms].

Iloraz czasu najdłuższego do najkrótszego wynosi: (37.256 + 4.8)* 10³

po zaokrągleniem: (37.3 + 4.8)* 10³

Pomiar dla pojemności 0.3 [μF] za pomocą oscyloskopu: 0.31 + 0.0155 [s]

po zaokrągleniu: 0.31 + 0.016 [s]

Pomiar dla pojemności 0.3 [μF] za pomocą stopera: 0.39 + 0.06 [s]

IV. Wnioski i uwagi.

Z przeprowadzonych doświadczeń wynika, że wzrost pojemności kondensatora w obwodzie RC powoduje zwiększenie czasu ładowania. Zastanawiająca jest wartość czasu ładowania otrzymana dla zerowej pojemności. Okazuje się, że w obwodzie bez dodatkowej pojemności występuje bardzo krótki cykl ładowania, a więc istnieje pewna pojemność. Jest ona wprowadzana przez elementy obwodu takie jak przewody, elementy połączeń lutowniczych, przyrządy pomiarowe, zastosowana w obwodzie pomiarowym sonda. Porównanie czasów obliczonych za pomocą stopera i oscyloskopu, dla tej samej pojemności pokazuje dużą rozbieżność wyników - wynika to prawdopodobnie z dużej niedokładności pomiaru za pomocą stopera wynikającej z długiego czasu reakcji osoby obsługującej stoper. Wyciągając nieco dalej idące wnioski należy stwierdzić, że metody bazujące na ludzkiej reakcji nie sprawdzają się przy tak precyzyjnych pomiarach.

---