background image

Imię:   Grzegorz 
Nazwisko:   Szcześniak 
Numer indeksu:   226835 
Prowadzący:   dr. A. Dacko    
Termin zajęć:   poniedziałek 10:45-13:00 
Data wykonania ćwiczenia:   09.11.2011 

 
 
 

Ćwiczenie numer 54: 

Drgania relaksacyjne 

 

 

 

Tab. 1. Pomiar czasu 20 cykli drgań relaksacyjnych  lampy neonowej przy zmianie pojemności kondensatorów 

oraz przy stałym oporze R

1

 = 1,4 [MΩ] i napięciu U

0

 = 140 [V]; C – pojemności kondensatorów, t

1

 – czas 

pomiędzy kolejnymi błyśnięciami 

2,5 

3,5 

4,5 

[μF] 

t

11,52  22,28  26,41  33,28  37,38  48,59  53,02 

[s] 

 

 
 
Dane zmierzone podczas ćwiczenia: 
 
C

x

 = ? [F] 

 

-nieznana wartość pojemności kondensatora 

R

2

 = 2,6 [MΩ]  

- opór przyłożony do układu 2 

t

2

 = 65,28 [s] 

- czas pomiędzy cyklami drgań relaksacyjnych dla układu z oporem R

2

 i 

pojemnością kondensatora C

x

 

R

3

 = 1,4 [MΩ]  

-opór przyłożony do układu 3 

t

3

 = 38,3 [s] 

- czas pomiędzy cyklami drgań relaksacyjnych dla układu z oporem R

3

 i 

pojemnością kondensatora C

x

 

 
 

 

background image

Wstęp teoretyczny  
 
 

 

Rys.1. Rysunek układu sporządzonego podczas ćwiczenia; R – opornik, C – kondensator, N – lampa neonowa 

 
 
 
 

Drganiami relaksacyjnymi nazywamy drgania elektryczne, w których wzrosty i spadki 

napięcia zachodzą w sposób wykładniczy. Zazwyczaj do wytwarzania drgań relaksacyjnych 
wykorzystuje się procesy  ładowania i rozładowania kondensatora przez opornik. Napięcie na 
jego okładkach zmienia się wykładniczo, według równań: 

 

U U

t

RC

0

1

[

exp(

)]

 

U U

t

RC

0

exp(

)

 

 

Obwód  służący  do  wytwarzania  drgań  relaksacyjnych  musi  zawierać  element,  który 
samoczynnie reguluje czas trwania ładowania i rozładowania. Rolę takiego elementu spełnia 
lampa neonowa zwana neonówką lub stabiliwoltem. Jest to bańka szklana wypełniona gazem, 
najczęściej neonem pod ciśnieniem około 20 mmHg. Neonówka ma dwie elektrody metalowe 
pokryte warstwą metalu łatwo emitującego elektronu np. baru. Jeżeli do elektrod przyłożymy 
niewielki  napięcie,  to  ze  względu  na  złe  przewodnictwo  gazu  prąd  nie  popłynie.  Po 
przekroczeniu  wartości  U

z

  (napięcie  zapłonu)  potrzebnej  do  spowodowania  jonizacji 

lawinowej,  przez  lampkę  popłynie  prąd  o  natężeniu  ograniczonym  tylko  oporem 
zewnętrznym. Gdy napięcie na elektrodach spadnie poniżej napięcia gaśnięcia U

g

, to jonizacja 

lawinowa nie rozwija się i lampka znowu staje się doskonałym izolatorem. W czasie jarzenia 
pomiędzy elektrodami znajdują się ładunki elektryczne, które dają dodatkowy przyczynek do 
pola przyspieszającego.  Z tego względu do podtrzymania jarzenia wystarczy napięcie nieco 
niższe  od  napięcia  zapłonu  U

(U

z

  >  U

g

).  Przepływowi  prądu  przez  lampkę  neonową 

towarzyszy świecenie. Mamy tu do czynienie z wyładowaniem w gazach rozrzedzonych. Ze 
względu  na  małą  odległość  elektrod  nie  występuje  cały  obraz  wyładowania,  lecz  tylko 
warstwa katodowa świecąca na powierzchni katody. 
 

Lampkę neonową wykorzystuje się do stabilizowania napięcia. W czasie jarzenia jej 

opór wewnętrzny jest bardzo mały i prąd przez nią płynący bardzo silnie wzrasta nawet przy 
niewielkim  wzroście  napięcia.  Stąd,  jeżeli  lampkę  neonową  zasilać  będziemy  ze  źródła  o 
oporze wewnętrznym dużym w stosunku do oporu neonówki w czasie jarzenia, to napięcie na 
zaciskach neonówki prawie nie rośnie. Najmniejszemu wzrostowi napięcia zasilającego o 

towarzyszy duży wzrost prądu  

I płynącego przez neonówkę, przy czym 

U = R

i

 

I ( R

i

 - 

opór neonówki w trakcie jarzenia).  

background image

 

Najprostszy  obwód  do  wytwarzania  drgań  relaksacyjnych  pokazano  na  rys.  1. 

Kondensator C ładuje się ze źródła prądu stałego przez opornik R o dużym oporze. Napięcie 
na  jego  okładkach  narasta  w  sposób  wykładniczy  według  równania  (1).  Jeżeli  osiągnie  ona 
wartość  U

z

,  to  podłączona  równolegle  do  okładek  kondensatora  neonówka  N  zapala  się  i 

płynie  przez  nią  prąd  rozładowania  kondensatora.  Napięcie  U  maleje  według  równania  (2). 
Rozładowanie  kończy  się  z  chwilą,  gdy  napięcie  spada  do  wartości  U

g

,  po  czym  napięcie 

ponownie  wzrasta.  Proces  ten  powtarza  się  cyklicznie  i  otrzymujemy  drgania  pokazane  na 
rys.2. Przez T oznaczymy czas narastania napięcia od U

g

 do U

z

, a przez T

1

 - czas opadania od 

U

z

 do U

g

, przez U

0

 oznaczymy napięcie źródła ładującego kondensator. Ze względu na to, że 

w  chwili  jarzenia  neonówka  stawia  stosunkowo  mały  opór,  czas  rozładowania  jest  bardzo 
krótki i możemy przyjąć, że T



T

1

. Stąd przyjmujemy, że okres drgań jest równy T. Napięcie 

U

g

 zostaje osiągnięte po czasie t, który zgodnie z (1) spełnia związek: 

 

U

U

t

RC

g

0

1

[

exp(

)]

 

 
Napięcie wzrasta w dalszym ciągu do wartości U

z

 po czasie T+t, stąd: 

 

U

U

T t

RC

z

0

1

[

exp(

)]

 

 
Po wykonaniu prostych przekształceń i po zlogarytmowaniu otrzymamy: 

 

 

t

RC

U

U

RC U

g

ln(

)

ln

0

0

 

 

 

(

)

ln(

)

ln

t T

RC

U

U

RC U

z

0

0

 

 
Odejmując powyższe równanie stronami, okres T wyrazimy wzorem: 

 

T

RC

U

U

U

U

g

z

ln

0

0

 

 
Wprowadzając oznaczenie:  

 

K

U

U

U

U

g

z

ln

0

0

 

 
otrzymamy: 

 

KRC

T

 

 
,gdzie współczynnik K jest wielkością niemianowaną. 
 
 

 

background image

Opracowanie wyników 
 

Określenie okresu drgań relaksacyjnych i wyliczenie K

śr

 

 

                →      

 

     

 

 

 

  

  ∑

 

 

     

 

   

   

  ∑

 

 

 

   

   

 

 
 

Tab.2. Tabela przedstawiająca obliczone wartości okresu drgań relaksacyjnych, K  oraz K

śr

C – pojemność 

kondensatora, t

f

 – czas cyklu w czasie jednej sekundy 

t

1f 

(

 

  

 

 

  

  

[μF] 

[s] 

0,576 

0,411 

1,114 

0,398 

 

2,5 

1,321 

0,377 

 

1,664 

0,396 

 

3,5 

1,869 

0,381 

 

4,5 

2,429 

0,386 

 

26,51 

0,379 

 

 
 

 

  

  ∑

 

 

 

   

   

        

 
Obliczenie średniej wartości C

x

 

 

                →      

 

     

 

 

 

  

   

    

  

            

 

 

 

            

 
         Nie jest możliwe policzenie średniej bez drugiej wartości K. Podczas ćwiczenia zabrakło 
czasu na pomiar cykli drgań relaksacyjnych z przyłożonym oporem 2,6 [MΩ]. 
 

 

background image

Wnioski 
 

 

Dzięki pomiarom układu o zmiennych pojemnościach kondensatorów i późniejszym 

obliczeniom, można stwierdzić, że czas drgania cyklu drgań relaksacyjnych wydłuża się 
podczas zwiększania pojemności kondensatorów. Dzieję się tak, ponieważ czas potrzebny do 
naładowania kondensatora jest dłuższy, co przesuwa w czasie okres pomiędzy napięciem 
gaszenia (U

g

), a napięciem zapłonu (U

z

), podobną konsekwencję można zauważyć podczas 

zwiększania wartości opornika. 
 

Jednym z celów ćwiczenia było określenie nieznanej wartości pojemności 

kondensatora (C

x

3,5 [μF]), niestety nie można było uśrednić wyniku z innym pomiarami 

przez brak czasu podczas ćwiczenia.