МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Фи з и ч е с к и й ф а к ул ь т е т

Кафедра общей физики

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Часть 3. Электричество и магнетизм

Новосибирск, 1988

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Лабораторная работа 2.3

САМОСТОЯТЕЛЬННЙ РАЗРЯД В ГАЗАХ

Цель работы - экспериментальное изучение явления самостоятельного разряда в газах.

В обычных условиях при отсутствии источников ионизации газ представляет собой очень хороший диэлектрик, так как концентрация носителей зарядов в нем весьма мала. Если же облучить газ кварцевой лампой, радиоактивным изотопом или какими-либо другими источниками ионизации, - он становится проводящим. Измеряя ток, протекающий между двумя плоскими электродами, помещенными в облучаемый газ, в зависимости от разности потенциалов U между ними можно получить вольт - амперную характеристику (в.-а.х.) газового разряда. Не останавливаясь на описании этого явления, подробно рассмотренного в /I/, /З/, отметин лишь, что при достаточно большом напряжении U в газе возникает самостоятельный разряд, поддержание которого не требует наличия внешних источников ионизации.

Минимальная разность потенциалов, при которой происходит переход газового разряда в стадий самостоятельного, называется потенциалом зажигания. Величина его зависит от природы и давления газа, от материала, формы и состояния поверхности электродов, от расстояния между ними. Сильное влияние на величину потенциала зажигания оказывает наличие даже незначительных примесей к основному газу, заполняющему междуэлектродный промежуток. Потенциал зажигания Uз снижается при увеличении интенсивности внешних источников ионизация.

Снижая разность потенциалов между электродами, можно погасить установившийся самостоятельный разряд, причем потенциал гашения Uг, при котором самостоятельный разряд прекращается, ниже Uз, так что UгUзU −=∆ - имеет величину порядка десяти вольт. Разница U∆ объясняется тем, что в момент зажигания самостоятельного разряда весьма велико количество свободных носителей заряда и фотонов, образовавшихся при разряде, так что их достаточно для поддержания начавшегося самостоятельного разряда и при пониженном напряжении.

Рассматривая в.-а.х. газового промежутка в окрестности области самостоятельного разряда, можно заметить участок зависимости тока I через

промежуток от приложенного напряжения U, такой, что 0<=dIdURd Величина Rd

носит название динамического сопротивления, а область, в которой ток I уменьшается при увеличении напряжения U , называется участком в.-а.х. с отрицательным сопротивлением. Несложно, показать, что для создания генераторов импульсного напряжения пригоден лишь такой прибор, в.-а.х. которого имеет участок о отрицательным сопротивлением.

Явление самостоятельного разряда нашло широкое применение в технике; основным режимом работы различных тиратронов с холодным катодом, неоновых ламп и других газоразрядных приборов является самостоятельный разряд.

Задания

1. Используя генератор синусоидального или пилообразного напряжения и осциллограф со входами "X" и "У", получите на экране в.-а.х. неоновой лампы. Определите потенциал зажигания и гашения разряда. Схема для получения в.-а.х. приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема для получения вольт - амперной характеристики неоновой лампы

2. Изменяя период синусоиды или частоту следования пилообразных импульсов, наблюдайте изменение формы в.-а.х. Объясните причины этих изменений, принимая во внимание характерные времена, обусловленные наличием сопротивлений и паразитных емкостей в измерительной схеме. Подтвердите экспериментально правильность Вашего объяснения.

3. Установите постоянное напряжение на несколько вольт ниже измеренного потенциала зажигания неоновой лампы. Попытайтесь вызвать в ней самостоятельный разряд, поднося к ней электризованное тело (например, пластмассовую расческу) или включая яркий источник света.

4. Увеличивая R1 (рис.1), определите минимальное значение тока через неоновую лампу, при котором самостоятельный разряд еще существует.

5. Используя приведенную на рис. 2. принципиальную схему генератора на неоновой лампе, рассчитайте величины Rг, R и C и спаяйте генератор. При разных значениях Uа, Rг, R и С измерьте основные характеристики генератора: частоту генерации, амплитуду и длительность переднего фронта импульса, выходное сопротивление генератора.

Рис. 2. Схема релаксационного генератора на неоновой лампе.

Указания и рекомендации

1. Если ток разряда через лампу слишком велик, она быстро изнашивается; для предотвращения быстрого выхода лампы из строя используйте R>5кОм.

2. Стремясь получить наибольшую частоту генерации импульсов при выбранном значении C, учитывайте, что лампа должна иметь возможность потухнуть: Uа/Rг<Imin (см. п. 4 задания).

3. Используя радиочастотный кабель при измерении временных характеристик импульса, учитывайте, что погонная емкость кабеля составляет около 100пф/м.

Контрольные вопросы

1. Чем определяется минимальная и максимальная частота следования, амплитуда, длительность и крутизна переднего фронта импульса генератора?

2. Что такое ток гашения неоновой лампы, как он измеряется?

3. Какие физические процессы обусловливают наличие участка с отрицательным сопротивлением на в.-а.х. газоразрядной лампы?

4. Для уменьшения погрешностей при измерении длительности переднего фронта короткого импульса обычно используют коаксиальный кабель с согласованной нагрузкой. Как минимизировать при этом искажение параметров генерируемого импульса?

См. библиографический список: /I/; /3/.

Интернет версия подготовлена на основе издания: Описание лабораторных работ. Часть3. Электричество и магнетизм. Новосибирск: Изд-во, НГУ, 1988

Физический факультет НГУ,1999

Лаборатория электричества и магнетизма НГУ,1999,http://www.phys.nsu.ru/electricity/