Ćwiczenie nr 39
DRGANIA RELAKSACYJNE
I. Drgania relaksacyjne.
Drgania relaksacyjne, to takie drgania elektryczne, w których wzrosty i spadki napięć zachodzą w sposób wykładniczy. Najczęściej do wytwarzania drgań relaksacyjnych wykorzystuje się proces ładowania i rozładowania kondensatora przez opornik, ponieważ wtedy napięcie na okładkach tego kondensatora zmienia się wykładniczo, według następujących wzorów:
Ładowanie:
Rozładowanie: ,
gdzie:
U0 – napięcie źródła ładującego kondensator,
t – czas, po którym zostało osiągnięte napięcie U,
RC – stała czasowa.
Aby uzyskać nieregularne wahania napięcia o przebiegach wykładniczych, wystarczy włączać i wyłączać obwód, w którym jest opór i kondensator. Należy to jednak robić w równych odstępach czasu. Rolę elementu, który będzie samoczynnie regulował czas trwania ładowania i rozładowania dobrze spełnia lampa neonowa. W najprostszym obwodzie wytwarzającym drgania relaksacyjne musi się zatem znaleźć kondensator, opornik, neonówka i źródło prądu stałego. Obwód taki wygląda następująco:
Kondensator C ładuje się od źródła prądu przez opornik R o dużym oporze. Napięcie na jego okładkach wzrasta według powyższego wzoru, aż osiągnie wartość Uz (napięcie zapłonu), czyli dla którego neonówka się zapala. Zaczyna przez nią wtedy płynąć prąd rozładowania kondensatora. Napięcie maleje według powyższego równania, aż osiągnie wartość Ug (napięcie gaśnięcia). Następnie napięcie ponownie wzrasta. Proces ten powtarza się cyklicznie i wytwarza nam drgania relaksacyjne, których wykres jest następujący:
gdzie przez T oznaczamy czas narastania napięcia od Ug do Uz, a przez T1 – czas opadania z Uz do Ug.
II. Przepływ prądu w gazach.
Analizując charakterystykę prądu w próżni dochodzi się do wniosku, że dosyć łatwo jest osiągnąć napięcie, dla którego dalszy wzrost natężenia nie jest możliwy. Dzieje się tak dlatego, że zostają w tym momencie wyczerpane już wszystkie elektrony (nośniki prądu). Analizując natomiast prąd w gazach zauważamy, że przepływ ładunków umożliwia tam większe wartości natężenia dla danego napięcia, niż w prądzie próżniowym. Powód tego jest następujący: W próżni jako nośniki prądu występują elektrony. W gazie natomiast wolne elektrony zderzają się z atomami gazu, powodując ich jonizację tzn. wyrzucanie elektronu z atomu, przy czym pozostaje dodatnio naładowany jon. W ten sposób liczba nośników prądu ulega zwiększeniu.
Mechanizm przewodzenia prądu w gazach może odbywać się na kilka sposobów:
§ Przewodnictwo elektronowe – zachodzi w gazach o bardzo małym ciśnieniu,
§ Przewodnictwo jonowe – zachodzi w gazach, w których zostały wytworzone jony. Można je wytworzyć różnymi metodami: wysoka temperatura, promieniowanie jonizujące itp. Takie przewodnictwo jest przewodnictwem niesamoistnym,
§ Przewodnictwo samoistne – zachodzi w gazach przez samoistne podtrzymywanie procesu tworzenia jonów w wyniku zderzeń cząsteczek przyśpieszanych polem elektrycznym, które jednocześnie powoduje przepływ prądu.
III. Zasada działania neonówki.
Neonówka to bańka szklana wypełniona gazem, najczęściej neonem. Ciśnienie tego neonu wynosi 20 mm Hg. Neonówka składa się z dwóch metalowych elektrod pokrytych warstwą metalu, który łatwo emituje elektrony (np. bar). Jeżeli do elektrod tych zostanie przyłożone niewielkie napięcie, to prąd nie popłynie ze względu na złe przewodnictwo gazu. Jeśli natomiast napięcie przekroczy wartość Uz potrzebną do spowodowania jonizacji lawinowej, przez neonówkę popłynie prąd o natężeniu ograniczonym tylko oporem zewnętrznym. Natomiast, gdy napięcie spadnie poniżej wartości Ug to neonówka staje się znów doskonałym izolatorem, ponieważ nie rozwija się jonizacja lawinowa. W czasie jarzenia między elektrodami znajdują się ładunki elektryczne, dlatego w rzeczywistości do podtrzymania jarzenia wystarczy napięcie nieco niższe od wartości Uz.
Świecenie towarzyszące przepływowi prądu przez lampkę neonową jest spowodowane wyładowaniem w gazach rozrzedzonych. Ale ze względu na małą odległość między elektrodami nie jest widoczny cały obraz wyładowania, lecz tylko warstwa katodowa świecąca na powierzchni katody.
Neonówka służy do stabilizowania napięcia. Opór wewnętrzny neonówki jest bardzo mały w czasie jarzenia i dzięki temu natężenie prądu silnie wzrasta nawet przy niewielkich wzrostach napięcia. Dlatego, jeżeli źródło zasilania neonówki ma duży opór wewnętrzny względem oporu neonówki w czasie jarzenia, to napięcie na zaciskach neonówki prawie nie rośnie. Zatem najmniejszemu wzrostowi napięcia o towarzyszy duży wzrost natężenia płynącego przez neonówkę. Przy czym , gdzie jest oporem neonówki w czasie jarzenia.
3. LITERATURA:
§ Henryk Szydłowski; „Pracownia fizyczna”; Państwowe Wydawnictwo Naukowe; Warszawa 1973; rozdział VII-25.3.
§ Szczepan Szczeniowski; Fizyka Doświadczalna. Część III: Elektryczność i magnetyzm; Państwowe Wydawnictwo Naukowe; Warszawa 1966; rozdział: VI.
kamszym88