Лабораторная работа №12

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12
ИЗМЕРЕНИЕ БОЛЬШИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
С ПОМОЩЬЮ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА В НЕОНОВОЙ ЛАМПЕ
Приборы и принадлежности: неоновая лампа, конденсатор,
измеряемое сопротивление, потенциометр, вольтметр, секундомер и
источник тока ВУП-2.
Теоретическое введение
Под действием напряжения, наложенного на электроды неоновой
лампы, находящейся в ней газ начинает светиться.
Механизм этого свечения может быть описан так. Всегда
имеющиеся в разрядном промежутке в небольшом количестве
электроны разгоняются полем, существующим между электродами, и
при встрече с нейтральными атомами либо ионизируют, либо
“возбуждают” их. Последнее означает, что в нейтральном атоме под
действием внешнего толчка наиболее слабо связанный с ядром электрон
изменяет в атоме своё положение относительно ядра, отдаляясь от него.
Через очень краткий промежуток времени возбуждённый атом
переходит в нормальное состояние, испуская свет определённой длины
волны.
Процесс ионизации происходит лавинным образом. Это означает,
что возникшие при ионизации электроны в свою очередь ионизируют
1 2 3
4
5
-
+
U
Uк
Рис. 1
t
1) первое катодное свечение или катодная пленка;
2) катодное темное пространство;
3) тлеющее свечение, которое имеет резкую границу со стороны катода и постепенно исчезает
со стороны анода;
4) второе ( Фарадеево) темное пространство;
5) положительный столб.
нейтральные атомы вследствие чего лавинообразно нарастает число
электронов и ионов в разрядном промежутке. Появление в результате
такой ионизации большого количества ионов и электронов вызывает
определённое распределение поля и потенциала в разрядном
промежутке, характерное для того и иного типа разряда.
Для тлеющего разряда характерно то, что почти всё напряжение
между электродами падает на узкую тёмную область, примыкающую к
катоду. Весь остальной промежуток между электродами имеет
потенциал, близкий к потенциалу анода (рис.1). Такое распределение
потенциала благоприятствует процессу ионизации, а положительные
ионы накапливают энергию, необходимую для выбивания электронов из
катода, пополняя запас электронов. До возникновения такого
распределения потенциала иону и электрону необходимо пройти
большой путь для накопления нужной энергии и, следовательно,
заметная часть атомов разрядного промежутка не используется для
ионизации.
Этот неблагоприятный для разряда фактор компенсируется
большим напряжением на электродах, что позволяет электрону и иону
накопить нужную энергию на меньшем отрезке своего пути. В горящей
лампе такое распределение потенциала уже создано, и можно без
ущерба для устойчивости горения лампы уменьшить внешнее
напряжение, подаваемое на электроды лампы.
Таким образом, то напряжение на электроды лампы, при котором
она зажигается (потенциал зажигания Uз), должно заметно отличаться от
того, при котором она гаснет (потенциал гашения Uг).
Различие в потенциалах зажигания и гашения лампы тлеющего
разряда может быть использовано для получения в цепи лампы разряда
электрических колебаний, носящих название релаксационных
колебаний.
U
Релаксационные колебания представляют собой U0
незатухающие электрические Uз
колебания, форма которых
характеризуется скачкообраз- Uг
ным изменением тока или
напряжения
(рис.2).
tз
tр
Электрическая
цепь,
в
которой можно получить
релаксационные
колебания,
t
Рис.
2
изображена на рис.3, где
обозначено: R - сопротивление порядка нескольких МОм, С конденсатор, НL - неоновая лампа, V - вольтметр, Е - источник
постоянного напряжения.
R
Под
действием
x
приложенного
постоянного
HL
напряжения
конденсатор
C
будет
заряжаться.
Когда ВУП-2М
V
+
напряжение на конденсаторе
+
становится
равным
потенциалу
зажигания,
неоновая лампа загорается.
Рис. 3
Сопротивление горящей
лампы мало в сравнении с сопротивлением R, вследствие чего уход
зарядов с обкладок конденсатора при разряде через лампу не будет
компенсироваться их приходом от источника напряжения через
сопротивление R. Напряжение на конденсаторе будет падать и, когда
оно достигнет потенциала гашения лампы Uгаш, лампа гаснет. Разряд
через лампу прекращается, конденсатор вновь заряжается и, таким
образом, возникает периодический процесс.
В любой момент времени имеем для напряжения на конденсаторе
U c  U 0  IR
(1)
где I - сила протекающего в контуре тока.
dUc
dU
dt
dUc
Так как I  C
, то U c  U 0  RC c или

RC U 0  U c
dt
dt
отсюда имеем 
t
 ln U 0  U c   const
RC
пусть при t=0, Uc=Uг, тогда const   ln U 0  U г 
t
t




(2)
U c  U 0 1  е RC   U г е RC


Периодом релаксационных колебаний называют время между
двумя вспышками лампы. Так как время разряда конденсатора мало по
сравнению со временем его заряда, можно за период релаксационных
колебаний приближённо принять продолжительность зарядки
конденсатора. Тогда при tз=T, Uc=Uз мы имеем
T
T



RC 
RC
(3)
U 3  U 0 1  е   U г е


Отсюда
U 3  U 0  U 0  U г е
T
U  U3

 ln 0
RC
U0  Uг

T
RC
и
R
T
U  U3
C ln 0
U0  Uг
(4)
Описание экспериментальной установки и методики измерений
Схема
(рис.3)
служит
для
определения периода релаксационных
колебаний Т по числу вспышек за
HL
определённое время. В качестве неоновой
лампы используют тиратрон, в котором ВУП-2М
V
+
напряжения зажигания и гашения
+
определяются по схеме (рис.4), зная
ёмкость конденсатора С, подаваемое
напряжение U0, напряжение зажигания Uз,
Рис. 4
напряжение гашения Uг и период
релаксационных колебаний - Т, можно по формуле (4) найти искомое
сопротивление Rx.
Порядок выполнения работы
1. Собрать схему (рис.4) для измерения Uз и Uг. Меняя напряжение на
лампе, измерить вольтметром потенциалы, соответствующие
моментам зажигания и гашения неоновой лампы. Измерения надо
произвести 5 раз.
2. Собрать схему генератора релаксационных колебаний (рис.3) и
определить период Т. Для этого нужно за некоторый промежуток
времени, измеряемый секундомером (например, за две минуты),
сосчитать число вспышек n неоновой лампы при U0  Uг.
3. Измеряют U0.
Обработка результатов измерений
Полученные данные заносят в таблицы. Из полученных данных
вычисляют по формуле (4) искомое сопротивление Rх.
Протокол наблюдений
№№ п/п
Uз
Uг
1
2
3
4
5
среднее
№№ п/п
t
n
1
2
3
4
5
среднее
Контрольные вопросы
1. Какой процесс называется релаксационным?
2. Где находят применение релаксационные генераторы?
3. Объясните принцип измерения больших сопротивлений и ёмкостей с
помощью неоновой лампы.
4. Почему потенциал гашения отличается от потенциала зажигания?
5. Какие виды разрядов в газах Вы знаете?
6. Объясните механизм тлеющего разряда.
7. Где находит применение тлеющий разряд?
8. Каков механизм свечения неоновой лампы?
Литература
1. И.В. Савельев. Курс общей физики. Т.2.1982.
2. Б.М. Яворский и др. Курс физики Т.2.1981.
3. С.Г. Калашников. Электричество.