1.2. Релаксаційні коливання

Коливання – це процеси, які мають той чи інший ступінь повторюваності у часі. Періодичні коливання – це коливання, які повністю повторюються через однаковий проміжок часу Т, який називається періодом коливань. Частота – це кількість коливань за одну секунду.

Н айпоширенішими коливаннями у природі є гармонічні, які відбуваються за законом синуса або косинуса. Такі коливання виникають в лінійних системах, у яких сили, що викликають коливання, лінійно залежать від зміщення. Але поряд з гармонічними коливаннями існують інші, більш складніші коливання. Одним з прикладів таких коливань можуть бути релаксаційні коливання. Релаксаційні коливання виникають у нелінійних системах, в яких визначальну роль відіграють нелінійні дисипативні сили: зовнішнє або внутрішнє тертя – в механічних системах, нелінійний опір – в електричних. Період релаксаційних коливань може бути поділений на декілька різко розмежених етапів, які відповідають повільним та швидким змінам стану системи. В залежності від властивостей системи існує багато форм релаксаційних коливань: пилоподібні (рис. 1а), прямокутні (рис. 1б), трапецеїдальні (рис. 1в) та ін. Дана лабораторна робота присвячена дослідженню електричних релаксаційних коливань пилоподібної форми, які можна отримати за допомогою RC-генератора релаксаційних коливань.

1.3. Неонова лампа

Розглянемо будову неонової лампи і процеси, які в ній відбуваються при прикладанні напруги. Неонова лампа являє собою скляний балон з двома електродами – катодом К і анодом А. В балоні знаходиться інертний газ неон під малим тиском (це в мільйон разів менше атмосферного). При невеликих напругах між катодом і анодом опір лампи буде дуже високим, оскільки в газі, що заповнює лампу практично немає вільних носіїв заряду (електронів або позитивних іонів). Отже при невеликих напругах струм через лампу практично не проходить.

З підвищенням напруги ті вільні електрони, що все ж таки знаходяться у лампі (наприклад, виникли завдяки космічному випромінюванню) прискорюються полем і набувають все більшої енергії. (У такому типі ламп створюють малий тиск для того, щоб електрони зазнавали менше співударів з атомами, тобто, рухаючись прискорено і без зіткнень (без втрат швидкості), встигали набувати велику енергію.)

При деякому значенні напруги U_З, яке називається напругою запалювання, енергії електронів стає достатньо для іонізації атомів неону – тобто електрони, стикаючись з атомами вибивають з них електрони. При іонізації виникають нові електрони і позитивні іони. Ці іони рухаються до катоду і вибивають із нього вторинні електрони, які знову прискорюються полем і знову викликають іонізацію. Отже процес повторюється і підтримує сам себе – виникає самостійний (тліючий) розряд у газі. Кількість вторинних електронів і іонів у лампі може бути дуже значною, тому при розряді опір лампи різко зменшується (приблизно до ), а струм зростає.

Зазначимо, що поряд з процесом іонізації атомів неону, відбувається і зворотний процес – рекомбінація. При рекомбінації електрони та позитивні іони об’єднуються у нейтральні атоми, а енергія що вивільнюється при цьому виділяється у вигляді фотонів – газ у лампі світиться (відбувається тліючий розряд).

З азначимо також, що для підтримування розряду у лампі необхідна менша напруга, ніж для запалювання. Якісно це можна пояснити так. Для того, щоб у лампі почався розряд, необхідно, щоб кількість електронів та іонів у лампі зростала. Отже, напруга U_З повинна бути такою, щоб електрон, який знаходився біля катоду, розганявся полем так, щоб хоча б двічі іонізувати атоми неону (тоді кількість електронів зростатиме). А для підтримки розряду необхідно, щоб кількість електронів не зменшувалася, тобто необхідна напруга, яка дозволяє електрону іонізувати на своєму шляху від катода до анода лише один атом неону. Для знаходження більш точного співвідношення між напругами запалювання і підтримки розряду необхідно врахувати рекомбінацію та інші процеси, які впливають на кількість вільних зарядів у лампі.

Якщо зменшити напругу на лампі, то при певному її значенні, , яке називають напругою гасіння, тліючий розряд припиниться. Енергії електронів, розігнаних такою напругою вже недостатньо для іонізації атомів неону. Отже в лампі зникнуть вільні носії заряду – електрони і іони, опір лампи знову зросте до нескінченності, а струм через лампу спаде до нуля.

Поєднуючи все вище сказане, можна зробити висновок, що опір неонової лампи нелінійно залежить від прикладеної напруги (рис. 2). Саме завдяки цьому лампу використовують у якості основного нелінійного елемента RC-генератора.

1.4. RC- генератор релаксаційних коливань

Генератор, схема якого показана на рис. 3, складається з неонової лампи з холодним катодом, конденсатора С, опору R та джерела постійного струму, ЕРС якого більше, ніж напруга запалювання лампи.

Р озглянемо його принцип дії. При замкненні ключа через опір R потече струм. При цьому струм через лампу іти не буде, оскільки її опір нескінченно великий. Струм буде протікати лише через конденсатор, заряд на його обкладках буде збільшуватися (конденсатор буде заряджатися). При цьому напруга на конденсаторі, яка дорівнює , також буде збільшуватися. Оскільки напруга на лампі дорівнює напрузі на конденсаторі (це напруга між точками 1 і 2), то напруга на лампі буде також зростати.

Конденсатор буде заряджуватись і напруга на ньому буде зростати до тих пір, поки не досягне значення запалювання лампи U_З. Після цього лампа запалиться, її опір різко зменшиться. Це призведе до того, що через лампу почне розряджатися конденсатор (лампа замкне його обкладки). При цьому заряд конденсатора і напруга на ньому будуть дуже швидко зменшуватись. Розрядка буде відбуватись до тих пір, поки напруга на конденсаторі (і на лампі) не впаде до значення U_Г – напруги гасіння лампи. При цій напрузі тліючий розряд у лампі припиниться, її опір зросте до нескінченності, струм через неї практично зникне. Отже схема повернеться в початковий стан і почнеться новий цикл зарядки конденсатора.