1

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM

F3240 – Fyzikální praktikum 2 Zpracoval: Dvořák Martin Naměřeno: 13.10.2009

Obor: B-FIN Ročník: II. Semestr: III. Testováno:

Úloha č. 7: T = 22,5 °C p = 984 hPa φ = 35 %

Relaxační kmity doutnavky

Úkoly:

1. Pro různé hodnoty součinu RC změřte závislost frekvence elektrických kmitů na napětí zdroje 2. Změřte V-A charakteristiku doutnavky a určete její zápalné a zhášecí napětí 3. Vypočítejte závislost frekvence relaxačních kmitů na napětí pro stejné hodnoty RC, znázorněte ji

graficky a porovnejte s naměřenými hodnotami Teorie: Doutnavka je elektronka, která se skládá ze dvou stejných elektrod umístěným ve skleněné baňce, vyplněné inertním plynem (neon, argon) při sníženém tlaku. Pokud doutnavku připojíme ke zdroji stejnosměrného napětí. Pokud je napětí malé, doutnavkou téměř proud neprochází. Jakmile zvýšíme napětí na hodnotu tzv. zápalného napětí UZ, pak dochází k ionizaci plynu uvnitř baňky, vzniká doutnavý výboj a proud prudce roste. Pokud ale překročíme jistou hodnotu napětí, dojde v doutnavce k obloukovému výboji a elektronka se zničí. Jestliže po zapálení napětí snižujeme, můžeme najít tzv. zhášecí napětí UH, při kterém výboj v doutnavce zhasne. U doutnavky můžeme určit i její volt-ampérovou charakteristiku podle zapojení na obrázku 1:

Obrázek 1

2

Dále se budeme u doutnavky zabývat jejími relaxačními kmity v jednoduchém oscilačním obvodu. Zapojíme doutnavku dle schématu: Z počátku nebude doutnavkou procházet proud. Až se nabije kondenzátor na hodnotu zápalného napětí, začne doutnavkou procházet proud. Pokud ale napětí na kondenzátoru klesne po hodnotu zhášecího napětí, doutnavka zhasne. Díky tomuto periodickému cyklu nabíjení a vybíjení kondenzátoru (zapalování a zhášení doutnavky) můžeme v obvodu pozorovat pilovitý průběh napětí, jehož periodu můžeme měřit.

Perioda se vypočítá ze vztahu: UU

UURC

Z

H

−

−±=τ , kde RC je součin odporu a kapacity.

Hledaná frekvence se pak rovná převrácení hodnotě periody. Měření: Zápalné a zhášecí napětí:

UZ/V 94,2 94,0 94,0 94,1 94,1 UH/V 87,2 87,0 87,1 87,2 87,2

Zápalné napětí: UZ=(94,1± 0,1)V Zhášecí napětí: UH=(87,1± 0,1)V

Volt-ampérová charakteristika:

I/mA 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 U/V 87,8 90,1 92,2 93,9 95,7 97,2 98,7 100,1 101,6 103,0 UC/V 93,4 100,9 108,1 114,8 121,7 128,5 134,9 141,4 148,4 155,4

U…napětí na doutnavce UC…napětí na zdroji

86

88

90

92

94

96

98

100

102

104

0 1 2 3 4 5 6

U/V

I/mA

Volt-ampérová charakteristika

3

Frekvence relaxačních kmitů: Měření bylo provedeno pro 3 různé hodnoty odporu a 1 hodnotu kapacity. Hodnoty odporů byly změřeny digitálním multimetrem.

Ω= kR 0,2081 Ω= kR 7,962 Ω= kR 2553 nFC 5,33=

UU

UURC

Z

H

−

−±=τ

τ

1=f

Kombinace R1C

R1C výpočet měření U/V τ /ms f/Hz τ /ms f/Hz 95,1 14,316636 69,8488 18,2 54,945055 95,4 12,777868 78,2603 16,4 60,975610 95,9 10,949232 91,3306 13,6 73,529412 96,3 9,876018 101,2554 12,6 79,365079 96,9 8,651158 115,5915 11,0 90,909091 97,5 7,722715 129,4881 10,1 99,009901 98,0 7,100354 140,8380 9,3 107,526880 98,4 6,675352 149,8048 8,7 114,942530 98,9 6,214968 160,9019 8,2 121,951220 99,4 5,817364 171,8991 7,6 131,578950

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

94 95 96 97 98 99 100

f/H

z

U/V

R1C

výpočet f/Hz

naměřeno f/Hz

4

Kombinace R2C Pro první dvě hodnoty napětí jsem pilové kmity pozoroval, ale protože jsou tyto napětí menší, než zápalné napětí doutnavky, je tato hodnota nepoužitelná.

R2C výpočet měření U/V τ /ms f/Hz τ /ms f/Hz 93,8 14,0 71,42857 94,0 11,3 88,49558 94,2 13,19981 75,75864 9,9 101,01010 94,4 10,11296 98,88301 8,8 113,63640 94,6 8,62822 115,89881 8,2 121,95120 94,8 7,65973 130,55288 7,6 131,57890 95,0 6,94917 143,90218 7,1 140,84510 95,2 6,39333 156,41302 6,6 151,51520 95,4 5,94048 168,33656 6,1 163,93440 95,6 5,56097 179,82488 5,7 175,43860

Kombinace R3C

R3C výpočet měření U/V τ /ms f/Hz τ /ms f/Hz 94,8 20,19888 49,50770 27,0 37,03704 95,0 18,32510 54,56996 24,0 41,66667 95,4 15,66518 63,83586 20,8 48,07692 95,7 14,22048 70,32112 18,2 54,94505 96,2 12,40758 80,59589 16,2 61,72840 96,7 11,05753 90,43614 15,0 66,66667 97,2 10,00100 99,99004 13,4 74,62687 97,8 8,99333 111,19350 12,2 81,96721 98,3 8,30759 120,37190 11,2 89,28571 98,8 7,72546 129,44220 10,4 96,15385

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

93,5 94 94,5 95 95,5 96

f /

Hz

U / V

R2C

výpočet f/Hz

naměřeno f/Hz

5

Závěr: Měřil jsem zápalné a zhášecí napětí doutnavky: Zápalné napětí: UZ=(94,1± 0,1)V

Zhášecí napětí: UH=(87,1± 0,1)V Vytvořil jsem volt-ampérovou charakteristiku, ze které je zřejmá lineární závislost. U měření relaxačních kmitů jsem použil tři růžné součiny RC. Pro každý součin mi vyšly frekvence kmitů, které jsem zobrazil v grafech. Z grafů je vidět, že se naměřené hodnoty jsou vyšší než vypočtené hodnoty a liší se zhruba o stejnou hodnotu. Tato chyba je nespíše systematická, může být i způsobena nepřesností přístrojů, protože zdroj napětí a voltmetr udávaly hodnoty lišící se o 0,5V.

0

20

40

60

80

100

120

140

94 95 96 97 98 99

f /

Hz

U / V

R3C

výpočet f/Hz

naměřeno f/Hz