POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA
KATEDRA FIZYKI
LABORATORIUM Z FIZYKI
TEMAT: DRGANIA RELAKSACYJNE.
Ćwiczenie wykonane przez:
Rok II , Gr.III
WSTĘP TEORETYCZNY
Niezjonizowane powietrze jest dobrym izolatorem i nie przewodzi prądu. Celem uzyskania przewodnictwa trzeb powietrze w sposób ciągły jonizować. Źródłem jonów może być płomień, ciało promieniotwórcze itp. Prądy płynące w obecności czynnika jonizującego nazywamy prądami niesamoistnymi. W gazie mogą płynąć również prądy samoistne; należy do nich wyładowanie iskrowe zachodzące przy bardzo wysokim napięciu oraz wyładowanie łukowe. Wyładowanie łukowe zachodzi pod normalnym jak i pod zwiększonym ciśnieniem po uprzednim zetknięciu, a następnie rozsunięciu na niewielką odległość elektrod, czyli dwóch kawałków metalu lub węgla połączonych z biegunami baterii. Przepływowi prądu towarzyszy silne świecenie gazu oraz elektrod. Temperatura elektrod osiąga 3000 0C. Silniej nagrzewa się elektroda dodatnia. Powstaje w niej wgłębienie zwane kraterem. Na katodzie silnie nagrzany jest jeden punkt zwany plamką katodową. Istnienie plamki katodowej jest koniecznym warunkiem palenia się łuku; jest to miejsce, z którego na skutek zjawiska termoemisji zostają emitowane wolne elektrony. Plamka katodowa powstaje w czasie zetknięcia elektrod. W miejscu zetknięcia istnieje duży opór kontaktowy i wydziela się dużo ciepła. Elektrody nagrzewają się do temperatury, w której może już nastąpić termoemisja. Emitowane elektrony są przyspieszane w polu elektrycznym panującym między elektrodami i wywołują lawinową jonizację powietrza. W obszarze między elektrodami istnieje bardzo silnie zjonizowane powietrze zwane plazmą. Do podtrzymania napięcia starcza napięcie 30-40 V. Wyładowanie łukowe wykazuje malejącą charakterystykę prądowo-napięciową, oznacza to, że ze wzrostem natężenia prądu maleje napięcie. Zatem łuk zachowuje się przeciwnie niż wynikałoby to prawo Ohma. Z tego powodu obwód elektryczny łuku musi zawierać opór zabezpieczający.
Drganiami relaksacyjnymi nazywamy drgania elektryczne, w których wzrosty i spadki napięć zachodzą w sposób wykładniczy. Zazwyczaj do wytworzenia drgań relaksacyjnych wykorzystuje się procesy ładowania i rozładowania kondensatora przez opornik. Napięcie na jego okładkach zmienia się wykładniczo. Obwód służący do wytwarzania drgań relaksacyjnych musi zawierać element, który samoczynnie reguje czas trwania ładowania i rozładowania. Rolę tego elementu spełnia lampa neonowa (neonówka). Jest to bańka szklana wypełniona gazem, najczęściej neonem pod ciśnieniem około 20 mm Hg. Neonówka ma dwie elektrody metalowe pokryte warstwą metalu łatwo emitującego elektrony np. baru. Jeżeli do elektrod przyłożymy niewielkie napięcie, to ze względu na złe przewodnictwo gazu prąd nie popłynie. Po przekroczeniu wartości UZ (napięcie zapłonu) potrzebnej do spowodowanej lawinowej jonizacji, przez lampkę popłynie prąd o natężeniu ograniczonym tylko oporem zewnętrznym. Gdy napięcie na elektrodach spadnie poniżej napięcia gaśnięcia Ug, to jonizacja lawinowa nie rozwija się i lampka staje się znowu doskonałym izolatorem. W czasie jarzenia pomiędzy elektrodami znajdują się ładunki elektryczne, które dają dodatkowy przyczynę do pola przyspieszającego. Z tego względu do podtrzymania jarzenia wystarczy napięcie nieco niższe od napięcia zapłonu UZ ( UZ > Ug ). Przepływowi prądu przez lampkę neonową towarzyszy świecenie.
Lampkę neonową wykorzystuje się do stabilizowania napięcia. W czasie jarzenia jej opór wewnętrzny jest bardzo mały i prąd przez nią płynący bardzo silnie wzrasta nawet przy niwielkim wzroście napięcia.
Kondensator C ładuje się ze źródła prądu stałego przez opornik R o dużym oporze. Napięcie na jego okładkach narasta w sposób wykładniczy. Jeżeli osiągnie wartość UZ , to podłączona równolegle do okładek kondensatora neonówka N zapala się i płynie przez nią prąd rozładowania kondensatora. Napięcie U maleje. Rozładowanie kończy się z chwilą, gdy napięcie spada do wartości Ug , po czym napięcie znowu wzrasta. Proces ten powtarza się cyklicznie.
Okres drgań relaksacyjnych obliczamy ze wzoru:
T = RCln
Okres drgań, jak widać ze wzoru, rośnie wraz ze wzrostem rezystancji opornika oraz pojemności kondensatora, które występują w obwodzie wytwarzającym drgania relaksacyjne. Z kolei okres ten maleje wraz ze wzrostem napięcia źródła.
Zjawisko drgań relaksacyjnych wykorzystywane jest w różnego typu generatorach oraz w układach elektronicznych, które mają za zadanie podawać w równych odstępach czasu sygnał (taktowanie zegarowe).
Tabele pomiarowe.
tabela 1a
L.p. |
UZ [V] |
Ug [V] |
UZ(śr) [V] |
Ug(śr) [V] |
1. |
97.5 |
82 |
97 |
82 |
2. |
95 |
82 |
97 |
82 |
3. |
97 |
82 |
97 |
82 |
tabela 1b
|
U |
klasa miernika |
0.5 |
zakres pomiarowy |
150V |
wartość najmniejszej działki |
2.5V |
niepewność pomiarowa |
2V |
Układ pomiarowy.
Opracowanie wyników
tabela 2
L.p. |
R [MΩ] |
C [F] |
t [s] |
Tzm [s] |
Tzm(śr)[s] |
ΔTzm [s] |
Tob [s] |
ΔTob [s] |
1a |
1 |
0.5 |
13.37 |
0.6685 |
0.662 |
0.123 |
0.693 |
0.953 |
1b |
1 |
0.5 |
13.02 |
0.651 |
0.662 |
0.123 |
0.693 |
0.953 |
1c |
1 |
0.5 |
13.29 |
0.6645 |
0.662 |
0.123 |
0.693 |
0.953 |
2a |
1 |
1 |
25.16 |
1.334 |
1.328 |
0.256 |
1.386 |
0.278 |
2b |
1 |
1 |
25.02 |
1.34 |
1.328 |
0.256 |
1.386 |
0.278 |
2c |
1 |
1 |
25.25 |
1.309 |
1.328 |
0.256 |
1.386 |
0.278 |
3a |
1 |
2 |
52.53 |
2.525 |
2.528 |
0.436 |
2.772 |
0.368 |
3b |
1 |
2 |
52.23 |
2.515 |
2.528 |
0.436 |
2.772 |
0.368 |
3c |
1 |
2 |
51.58 |
2.5445 |
2.528 |
0.436 |
2.772 |
0.368 |
4a |
2 |
0.5 |
26.68 |
1.964 |
1.95 |
0.365 |
2.079 |
0.304 |
4b |
2 |
0.5 |
26.80 |
1.9605 |
1.95 |
0.365 |
2.079 |
0.304 |
4c |
2 |
0.5 |
26.18 |
1.9245 |
1.95 |
0.365 |
2.079 |
0.304 |
5a |
2 |
1 |
50.50 |
1.258 |
1.257 |
0.248 |
1.386 |
0.372 |
5b |
2 |
1 |
50.30 |
1.251 |
1.257 |
0.248 |
1.386 |
0.372 |
5c |
2 |
1 |
50.89 |
1.2625 |
1.257 |
0.248 |
1.386 |
0.372 |
6a |
2 |
2 |
105.40 |
3.7915 |
3.777 |
0.798 |
4.158 |
0.634 |
6b |
2 |
2 |
105.20 |
3.87 |
3.777 |
0.798 |
4.158 |
0.634 |
6c |
2 |
2 |
105.51 |
3.6695 |
3.777 |
0.798 |
4.158 |
0.634 |
7a |
3 |
0.5 |
39.28 |
2.6465 |
2.612 |
0.489 |
2.772 |
0.423 |
7b |
3 |
0.5 |
39.21 |
2.6115 |
2.612 |
0.489 |
2.772 |
0.423 |
7c |
3 |
0.5 |
38.49 |
2.579 |
2.612 |
0.489 |
2.772 |
0.423 |
8a |
3 |
1 |
75.83 |
5.27 |
5.267 |
0.597 |
5.545 |
0.687 |
8b |
3 |
1 |
77.40 |
5.26 |
5.267 |
0.597 |
5.545 |
0.687 |
8c |
3 |
1 |
73.39 |
5.2755 |
5.267 |
0.597 |
5.545 |
0.687 |
9a |
3 |
2 |
157.26 |
7.863 |
7.849 |
0.897 |
8.317 |
0.761 |
9b |
3 |
2 |
156.50 |
7.825 |
7.849 |
0.897 |
8.317 |
0.761 |
9c |
3 |
2 |
157.20 |
7.86 |
7.849 |
0.897 |
8.317 |
0.761 |
Okres drgań relaksacyjnych zmierzony obliczamy ze wzoru:
Tzm =
Okres drgań relaksacyjnych obliczany:
T = RCln
Wnioski
Celem tego ćwiczenia było zapoznanie się z zagadnieniem drgań relaksacyjnych oraz odpowiedzenie na pytanie jak wpływa rezystancja opornika, pojemność kondensatora i napięcie źródła ładującego kondensator na okres drgań relaksacyjnych. Z otrzymanych pomiarów można wysnuć wnioski, że opór oraz pojemność zwiększa okres drgań relaksacyjnych a im większe jest napięcie źródła tym mniejszy jest okres drgań relaksacyjnych.