Требования к технике безопасности. Министерство образования российской федерации

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИЗУЧЕНИЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Лабораторной работе № 41

По курсу общей физики

Уфа 2001

Министерство образования российской федерации

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра общей физики

ИЗУЧЕНИЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Лабораторной работе № 41

По курсу общей физики

Уфа 2001

УДК 535.215

Составитель: Е.В. Трофимова

Изучение газового разряда: Методические указания к лабораторной работе № 41 по курсу общей физики /Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Cост. Е.В.Трофимова .- Уфа, 2000, - c.

Приведена краткая теория, описание лабораторной установки, порядок выполнения работы по изучению газового разряда и измерению его характеристик.

Методические указания предназначены студентам 1 и 2 курса всех специальностей.

Табл.1, Ил. 8., Библиогр. : 2 назв.

Рецензенты: Строкина В.Р.

Гусейнова Т.И.

Содержание

1 Цель работы............................................................................................... 4

2 Теоретическая часть................................................................................... 4

3 Приборы и оборудование.......................................................................... 7

4 Требования к технике безопасности........................................................... 7

5 Описание установки.................................................................................... 8

6 Порядок выполнения работы..................................................................... 9

7 Требования к отчету................................................................................. 10

8 Контрольные вопросы.............................................................................. 11

Список литературы........................................................................................ 11

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 41

ИЗУЧЕНИЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

Цель работы

Изучение газового разряда, измерение вольтамперной характеристики газонаполненной лампы, изучение релаксационных колебаний.

Теоретическая часть

Прохождение электрического тока через газы называют газовым разрядом. Газы в нормальном состоянии являются изоляторами, носители тока в них отсутствуют. Лишь при создании особых условий в них появляются заряженные частицы-электроны, ионы и возникает электрический разряд.

Различают несамостоятельную и самостоятельную проводимость газа. Несамостоятельный разряд имеет место, когда носители тока возникают под действием внешнего контура. Если носители тока появляются в результате процессов, обусловленных только электрическим полем, проводимость называют самостоятельной.

Под действием контура в единице объема газа за секунду образуется Dn_i пар ионов. С ионизацией происходит рекомбинация ионов при их встрече. Вероятность их встречи пропорциональна как числу положительных, так и числу отрицательных ионов, т.о. число рекомбинирующих за 1с в единице объема пар ионов пропорциональна квадрату концентрации этих пар

Dn r=r n², (2.1)

где r-коэффициент рекомбинации.

В равновесии Dn_i=Dn_r=r n², их равновесная концентрация пар есть

. (2.2)

Если газом заполнено пространство между электродами, на которые подано напряжение, то часть ионов будет уходить на электроды, создавая ток. За 1 секунду их единицы объема газа на электроды уходит Dn _j пар ионов.

Dn _j = , (2.3)

где j-плотность тока, e-заряд иона, l -расстояние между электродами.

В равновесии

Dn _i = Dn _r + Dn _j . (2.4)

Плотность тока обязана движению положительных и отрицательных ионов:

J=enJ⁺ + enJ^- =en(u⁺ + u^-)E. (2.5)

Здесь введено обозначение J±= - подвижность тока.

При слабых полях плотность тока мала и Dn _r >> Dn _j. Тогда n и . (2.6)

Сравнивая выражение (2.6) с законом Ома

j = sE , (2.7)

можно определить электропроводность газа

. (2.8)

При сильных полях и

. (2.9)

Эта плотность тока создана всеми ионами, создаваемыми ионизатором.

Зависимость плотности тока от напряженности поля показана на рисунке 2.1. При очень сильных полях ионы приобретают такую энергию, что сами могут ионизировать нейтральные атомы. Происходит лавинообразное размножение первичных ионов, созданных ионизатором, и ток резко растет.

Рисунок 2.1

Самостоятельный разряд может возникнуть, если в газе происходит процесс, непрерывно производящий новые электроны взамен ушедших на анод. Например, это может быть вторичная электронная эмиссия с катода под действием бомбардировки его положительными ионами. Если положительный ион при своем движении к катоду приобретает достаточную энергию, то он может выбить из катода несколько электронов. Повышая напряжение на электродах, можно возбудить подобные процессы и осуществить переход от несамостоятельного к самостоятельному разряду. Этот переход называется электрическим пробоем газа, а соответствующее напряжение - напряжением зажигания U_з. Оно зависит от давления и химической природы газа, материала катода, электродов и расстояния между ними.

Идеальная воль-амперная характеристика изучаемой в данной работе газонаполненной лампы приведена на рисунке 2.2. При напряжениях U<U_з токи в лампе при обычных внешних ионизаторах малы, и мы их рассматривать не будем. Если увеличивать разность потенциалов на электродах лампы, то при значении U<U_з скачком устанавливается значение тока, равное I_з, и лампа «загорается». При дальнейшем росте напряжения, ток растет по закону, близкому к линейному. Если уменьшить напряжение на «горящей лампе», то при напряжении, равном U_з, лампа еще не гаснет. Продолжая уменьшать напряжение, можно увидеть, что лишь при некотором напряжении (напряжении гашения Uг), которое меньше, чем Uз, лампа «гаснет» и ток скачком резко падает. При этом самостоятельный разряд в лампе прекращается. У реальной лампы зависимость I=f(U) является не вполне линейной, причем при U>Uз кривые, снятые при возрастании и убывании напряжения, не совпадают. Но эти отличия не существенны, и мы можем ими пренебречь.

Рисунок 2.2

Газонаполненные лампы часто используют для получения релаксационных колебаний. Принципиальная схема генератора релаксационных колебаний полказана на рисунке 2.3. Этот генератор включает источник постоянного напряжения Uо, конденсатора емкостью С, сопротивленияR и газоразрядной лампы Л. Если включить источник, то в цепи пойдет ток, который будет заряжать конденсатор. Разность потенциалов не на обкладках конденсатора будет расти. Одновременно растет разность потенциалов на электродах лампы. Когда она достигнет величины напряжения зажигания Uз, лампа зажжется, ее сопротивление скачком уменьшается и начинает проводить ток. В зажженном состоянии сопротивление лампы значительно ниже сопротивления R, поэтому поддерживать ток в основном будут заряды на обкладках конденсатора. Это приведет к быстрому падению напряжения на конденсаторе, и когда оно достигнет величины напряжения гашения Uг, лампа гаснет и процесс повторяется. Возникают релаксационные колебания. Они происходят по закону, изображенному на рисунке 2.4.

Рисунок 2.3	Рисунок 2.4

Время заряда конденсатора определяется величиной сопротивления R, а время разряда-сопротивлением лампы в проводящем состоянии R_л. Поскольку R>>R_л, то время разряда мало по сравнению с временем заряда (рисунок 2.4).

Приборы и оборудование

- ИП-источник питания;

- РО-Электронный осциллограф;

- РQ-звуковой генератор;

- ЗА-миллиамперметр;

- МС- магазин сопротивлений;

-МЕ- магазин емкостей;

-ФПЭ-12 - кассета.

Требования к технике безопасности

Для электропитания лабораторной установки используется переменное напряжение 220В. Все токоведущие части установки изолированы, что исключает случайное к ним прикосновение.

При выполнении работы необходимо:

а) внимательно ознакомиться с заданием и оборудованием;

б) визуально проверить целостность изоляции токоведущих проводов;

в) не оставлять без присмотра включенную лабораторную установку;

г) не загромождать рабочее место посторонними предметами и оборудованием, не относящимся к выполняемой работе;

д) о замеченных неисправностях немедленно сообщить преподавателю;

е) по окончании работы отключить установку от сети, привести в порядок рабочее место.

Описание установки

Электрическая схема установки собрана в кассете ФПЭ-12 (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1

При отжатой кнопке «режим» получается схема получения вольт-амперной характеристики газонаполненной лампы. При нажатой кнопке «режим» получается схема генератора релаксационных колебаний (смотри рисунок 2.3). Магазины емкостей МЕ и сопротивления МС выполняют роль емкости С и сопротивления R генератора.

В работе определяется период релаксационных колебаний двумя способами. Первый способ заключается в том, что сигнал от полученных в цепи релаксационных колебаний поступает на вход осциллографа и на экране последнего можно наблюдать изображение этих колебаний. Период можно измерить непосредственно с экрана при работе осциллографа в режиме измерения длительности сигнала.

Второй способ, более точный, заключается в том, что дополнительно на второй вход осциллографа поступает сигнал определенной частоты. В электронно-лучевой трубке происходит сложение двух взаимно перпендикулярных колебаний: релаксационных колебаний лампы и синусоидальных колебаний, подаваемых на второй вход осциллографа. В результате на экране появятся фигуры Лиссажу. Если частоты складываемых колебаний относятся как целые числа, то картина на экране неподвижна. Зная частоты подаваемого сигнала, по виду фигуры Лиссажу можно определить соотношение частот и частоту релаксационных колебаний.

В отличие от сложения гармонических колебаний фигура Лиссажу при соотношении частот 1:1 не имеет вид эллипса (рисунок 5.2).

Рисунок 5.2

Порядок выполнения работы

Собрать электрическую схему (смотри рисунок 5.1).

Задание 1.

Снятие вольт-амперной характеристики газонаполненной лампы.

1. Подготовить приборы к работе:

Кнопку «режим» кассеты ФПЭ-12 отжать. Ручку регулировки напряжения 120 В источника питания установить в крайнее левое положение.

2. Включить лабораторный стенд, источник питания ИП и измерительный прибор РА. На приборе нажать кнопки I= и АВП. Включить лабораторный стенд, источник питания и осциллограф. Установить ручкой регулировки такое напряжение источника питания, чтобы на экране осциллографа появилось изображение релаксационных колебаний, подобное изображенным на рисунке 2.4. Это напряжение в дальнейшем не менять. Усиление по оси Y осциллографа установить таким, чтобы размер изображения на экране осциллографа по вертикали составлял 2–4 см. ­­Установить такую частоту развертки, чтобы на экране были видны одно–две релаксационных колебания. Зарисовать форму релаксационных колебаний.

3. Измерить период релаксационных колебаний с помощью звукового генератора Р2. На осциллографе справа нажать кнопку X–Y. Включить генератор. Подобрать выходное напряжения с генератора и чувствительность I канала осциллографа, чтобы горизонтальный и вертикальный разряды изображения на экране были соизмеримы. Изменяя частоту выходного сигнала генератора, получить на экране осциллографа устойчивую фигуру Лиссажу, соответствующую соотношению частот 1:1 (рисунок 5.2). Зарисовать фигуру и записать значение частоты генератора. Увеличивая частоту сигнала, получить фигуру Лиссажу, соответствующую соотношению частот 1:2. Зарисовать форму и записать значение частоты. Уменьшая частоту сигнала, получить фигуру Лиссажу, соответствующую соотношению частот 2:1. Зарисовать форму и записать значение частоты.

4. Рассчитать частоту релаксационных колебаний по формуле , где f–частота сигнала генератора PQ, измеренная в первом, втором, третьем случаях: n=1, 2, 1 /2 .

5. Выключить осциллограф, генератор, источник питания и лабораторный стенд.

6. Рассчитать погрешность определения периода релаксационных колебаний, используя относительную погрешность генератора df » 1%.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

- номер, название и цель работы;

- краткий конспект теоретической части;

- схематическое описание лабораторной установки и метода измерений;

- таблицу с результатами измерений;

- график вольт–амперной характеристики газоразрядной лампы;

- рисунок формы релаксационных колебаний U(t);

- рисунки фигур Лиссажу с тремя значениями частот генератора и расчет средней частоты генератора релаксационных колебаний с указанием погрешности.

- выводы к выполненной работе.

Контрольные вопросы

1. От чего зависит электропроводимость газов?

2. Объясните вольт–амперную характеристику газонаполненной лампы.

3. Каков механизм возникновения самостоятельного разряда?

4. Как работает генератор релаксационных колебаний?

5. Что такое фигуры Лиссажу и как они получаются в данной работе?

Список литературы

1. Сивухин Д.Р. Общий курс физики. Т.3. – М.: Наука, 1983.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. – М.: Наука, 1998.

Составитель ТРОФИМОВА Евгения Владимировна

ИЗУЧЕНИЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

лабораторной работе № 41

по курсу общей физики

Редактор Г.Р. Юнусова

ЛБ № 00258 от 08.01.98

Подписано к печати 03.09.2001.Формат 80 х 64 1/16.

Бумага оберточная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman

Усл. печ. л. 0,7.Усл.-кр.-отт. 0,7. Уч-изд.л. 0,6. Тираж 300 экз.

Заказ № 375.

Уфимский государственный авиационный технический университет

Уфимская типография № 2 Министерства печати и массовой информации Республики Башкортостан

450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12