BADANIE PROCESÓW RELAKSACYJNYCH W OBWODACH ELEKTRYCZNYCH

Transkrypt

1 Poliechnia Warszawsa Wydział Fizyi Laboraorium Fizyi I P 12 BADANIE POESÓW ELAKSAYJNYH W OBWODAH ELEKTYZNYH 1. Podsawy fizyczne Procesy relasacyjne sanowią w przyrodzie bardzo częso spoyaną lasę zjawis. Ogólnie można je oreślić jao przejście uładu marosopowego do sanu równowagi. (Przez san równowagi rozumiemy san o minimalnym poencjale ermodynamicznym). Procesy e są nieodwracalne, owarzyszy im bowiem rozpraszanie (dyssypacja) energii j. zamiana części energii wewnęrznej uładu na ciepło. Do procesów relasacyjnych zaliczamy zarówno zjawisa ermodynamiczne ogrzewanie się i sygnięcie ciał, rozprężanie gazów ja i rozpad promieniowórczy, a aże ładowanie lub rozładowanie ondensaorów w uładzie elerycznym. Wszysie wspomniane u zjawisa posiadają wspólną cechę: szybość przebiegu procesu dy d jes proporcjonalna do warości y () odchylenia od sanu równowagi w danej chwili. Oznacza o, że na począu procesu relasacji zmiana opisującego go parameru jes gwałowna i maleje do zera w miarę upływu czasu do niesończoności. Maemaycznie zjawisa e opisywane są przez: malejące funcje wyładnicze (rozpraszanie energii, w sanie równowagi uład jes niezałócony, a y 0 ), czyli y( ) y0e (rys.1 ), lub dopełniające funcje wyładnicze (procesy loalnego gromadzenia energii, w chwili począowej energia uładu równa 0), czyli y ( ) y (1 e ) (rys. 2). W powyższych wzorach y() jes chwilową warością wielości fizycznej opisującej dany proces, y 0 jej warością począową, y ońcową, e podsawą logarymów nauralnych (e = 2,72), λ współczynniiem proporcjonalności o wymiarze odwroności czasu. (Wyprowadzenie powyższych zależności znajduje się w Dodau 1 na ońcu insrucji.) y() y 0 y 1 y( ) y0e y 2 y 2 0,37 y 1 ys.1. elasacyjne osiąganie równowagi przy zmniejszaniu się wielości y. czas relasacji, y 0 począowa warość zmieniającej się wielości.

2 Badanie procesów relasacyjnych w obwodach elerycznych 2 y() y y 2 y 0,37 y 2 1 y( ) y 1 e y 1 ys. 2. elasacyjne osiąganie równowagi przez wzros wielości y. czas relasacji, y warość ońcowa wielości y. zęso zamias współczynnia λ używa się wielości 1 posiadającej wymiar czasu. Wielość ę nazywamy czasem relasacji. Zapisane wyżej równania przyjmują wedy posać: y 0 ( ) y e (1) y ( ) y (1 e ) (2) Inerpreacja wielości τ jes wyjąowo prosa: czas relasacji τ jes o ai czas =, po órym obserwowana wielość ulegnie eronej zmianie. Zaleą przyjęcia aiej wielości opisującej proces jes niezależność warości τ od wyboru momenu obserwacji. Sama zaś wielość τ charaeryzuje szybość przebiegu procesu relasacyjnego. Oba procesy wymuszonego wzrosu energii uładu oraz jej rozpraszania mogą wysępować naprzemiennie, jeśli przy przeazywaniu energii z ooczenia do uładu osiąga on san równowagi nierwałej. W ym momencie uład może sponanicznie rozproszyć zgromadzoną energię wieloronie szybciej niż jes mu przeazywana. W przypadu ciągłego dosarczania energii jej zmiany będą zachodzić periodycznie, gdyż ażdorazowo po osiągnięciu sanu równowagi nierwałej uzysana energia zosanie rozproszona. W uładzie powsaną drgania zwane drganiami relasacyjnymi. Drgania e przebiegają w całowicie odmienny sposób od drgań harmonicznych. 2. Opis ćwiczenia elasacyjny proces wzrosu energii w uładzie, rozpraszania jej, ja również powsawanie drgań relasacyjnych obserwować będziemy w obwodach elerycznych, zn. zesawionych z rezysorów i ondensaorów oraz dodaowo, do obserwacji drgań, uzupełnionych lampą neonową charaeryzującą się właściwością luczowania, zn. zwierania lub rozwierania gałęzi obwodu w zależności od napięcia na swoich zacisach. W obwodzie zawierającym szeregowo połączone rezysor i ondensaor prąd sały nie może płynąć. W uładach aich uzupełnionych o mierni prądu (rys. 3 i 4), po ich zamnięciu jeseśmy w sanie zaobserwować jedynie róorwały prąd ładowania lub rozładowania ondensaora. Klucze K służą do zamyania obwodów i rozładowywania ondensaora przed ponownym przeprowadzeniem pomiaru. Do opisu procesów przebiegających w badanych obwodach wyorzysujemy II prawo Kirchhoffa swierdzające, że algebraiczna suma spadów poencjałów i sił eleromoorycznych w obwodzie zamnięym jes równa zeru.

3 Badanie procesów relasacyjnych w obwodach elerycznych Ładowanie ondensaora w obwodach. Zamnięcie lucza K w obwodzie przedsawionym na rys.3 powoduje przepływ sałego prądu o masymalnej warości Io= /, gdzie ε jes siłą eleromooryczną zasilacza. Po owarciu lucza K nasępuje ładowanie ondensaora, czyli gromadzenie się ładunu q na jego oładach. Powoduje o wzros napięcia na ondensaorze U przy jednoczesnym zmniejszaniu się naężenia prądu ładującego. K ~ 220 V ZASILAZ ys.3. Obwód ładowania ondensaora. ma II prawo Kirchhoffa dla obwodu ładowania ondensaora przyjmuje posać: q I, (3a) gdzie I wyraża chwilowy spade poencjału (napięcie) na rezysorze, zaś q/ chwilową warość różnicy poencjałów na oładach ondensaora. Pamięając, że prąd I=dq/d, po podsawieniu orzymujemy równanie różniczowe jednej zmiennej q w posaci : dq d q. (3b) Na drodze elemenarnych przeszałceń prowadzących do rozdzielenia zmiennych q i (parz Dodae 1) orzymujemy osanie równanie w posaci: dq 1 d. (3c) q Po obusronnym scałowaniu oraz uwzględnieniu warunów począowych q(=0) = 0 prowadzących do warości sałej całowania A = ε, orzymujemy rozwiązanie na czasową zależność ładunu q w procesie ładowania ondensaora w posaci dopełniającej rzywej wyładniczej (porównaj z równaniem (2)): q( ) 1 e q 1 e. (4) Zgodnie z powyższą zależnością ładune narasa wyładniczo od warości q = 0 do warości q = ε. W analogiczny sposób przebiegają zmiany napięcia. Wynia o bezpośrednio ze związu między ładuniem i napięciem U c na oładach ondensaora: q( ) U ( ) 1 e, (4a) naomias prąd ładowania płynący po zamnięciu obwodu, jao pochodna ładunu po czasie, opisany jes zależnością wyładniczą:

4 Badanie procesów relasacyjnych w obwodach elerycznych 4 I ( ) e. (5) 2.2. ozładowanie ondensaora w obwodach. rys.4. Uład, w órym przeprowadzamy badanie charaerysy rozładowania przedsawiony jes na ~ 220 V ZASILAZ K ma ys.4 Obwód rozładowania ondensaora. Kondensaor, uprzednio naładowany do napięcia ε, rozładowywany jes przez rezysor. Pod nieobecność w obwodzie rozładowania siły eleromoorycznej, II prawo Kirchhoffa przyjmuje posać: q I 0, (6a) gdzie, ja uprzednio, I wyraża spade poencjału na rezysorze, zaś q/ chwilową warość różnicy poencjałów na oładach ondensaora. Po uwzględnieniu związu pomiędzy prądem i ładuniem uzysujemy różniczowe równanie jednej zmiennej q w posaci: dq d q 0, (6b) przyjmujące po rozdzieleniu zmiennych posać analogiczną do równania(3c), gdy = 0: dq 1 d q, (6c) charaerysyczną dla procesów relasacyjnego rozpraszania. Jego rozwiązanie opisuje chwilową warość ładunu q() na oładach ondensaora (porównaj równania (4) i (5)): q( ) e q0e. (7) Ze związu między napięciem i ładuniem na oładach ondensaora orzymujemy czasową zależność zmian napięcia w procesie rozładowania : q( ) U ( ) = ε e, (8) zaś po zróżniczowaniu równania (7) orzymujemy czasową zależność prądu rozładowania: I( ) e I e 0. (9)

5 Badanie procesów relasacyjnych w obwodach elerycznych 5 Porównanie wyładniów poęg w równaniach (7) i (9) z wyładniami poęg wysępującymi w równaniach (1) i (2) wsazuje, że w omawianych obwodach λ = 1/, a czas relasacji τ =, gdzie jes rezysancją, zaś pojemnością w obwodzie Drgania relasacyjne w obwodach. Proces uzysiwania energii od ooczenia przez uład może zosać przerwany, jeśli osiągnięy san jes sanem równowagi nierwałej, a uzysana energia może zosać szybo rozproszona. Jeśli proces dosarczania energii rwa nieusannie, ponownie rozpocznie się gromadzenie energii przez uład do momenu osiągnięcia sanu równowagi nierwałej i jej rozproszenia. W uładzie, poazanym na rys. 5 zachodzić będzie periodycznie proces gromadzenia i rozpraszania energii zwany drganiami relasacyjnymi. W uładzie szeregowym zapęlenie ładowania i rozładowania ondensaora uzysuje się przez dołączenie do ołade ondensaora lampy neonowej (rys.5a). Dla napięć niższych od napięcia zapłonu U z lampa praycznie nie przewodzi prądu (rezysancja blisa niesończonej) i nie załóca ładowania ondensaora ze źródła prądu (rys.5b). Po zgromadzeniu na oładach ondensaora ładunu q, dla órego różnica poencjałów osiąga warość U z, w lampie neonowej zachodzi jonizacja lawinowa zamnięego w bańce gazu i jej zdolność przewodnicwa gwałownie wzrasa o wiele rzędów wielości. Dalszy wzros napięcia między oładami ondensaora zosaje przerwany w wyniu zwarcia jego ołade i nasępuje proces rozładowywania ondensaora (rys.5c). Należy jedna pamięać, że proces ładowania rwa dalej (ondensaor NIE zosał odłączony od zasilacza), lecz prąd rozładowania jes więszy niż prąd ładowania. Syuacja aa może mieć miejsce ylo w przypadu gdy rezysancja neonówi w sanie przewodzenia N będzie MNIEJSZA od rezysancji szeregowej. N ys. 5 Obwód do obserwacji drgań relasacyjnych. i ład. i roz. a) b) c) N ezysancja neonówi N w sanie przewodzenia jes wieloronie mniejsza od rezysancji obwodu ładowania, oeż szybość rozpraszania energii również przewyższa szybość jej gromadzenia. haraerysyczną cechą lampy neonowej jes podrzymanie jonizacji lawinowej pomimo obniżania napięcia i osaeczny jej zani dopiero przy napięciu niższym o ilanaście wolów, zwanym napięciem gaśnięcia U g. W ym momencie rezysancja neonówi N wzrasa ponownie do warości blisiej niesończoności, a w gałęzi, w órej jes włączona przesaje płynąć prąd. W uładzie ym nasępuje więc periodyczne ładowanie ondensaora gromadzenie energii (w obwodzie na rys.5b) i jego rozładowanie rozpraszanie energii (obwód na rys.5c). Napięcie na oładach ondensaora narasa i zania wyładniczo oscylując między warościami U z i U g (porównaj rys.6a i 6b). W procesie ładowania zmiany napięcia opisuje dopełniająca funcja wyładnicza U ( 1 e ) (parz równanie 4a). Ładowanie ondensaora przebiega w czasie 1 od napięcia U c () = U g do U c ( 1 ) = U z. Wyrażenia na rańcowe warości zapiszemy w posaci: 1 U g e ; U z e e. (10) Po podzieleniu obu równań sronami i obusronnym logarymowaniu orzymujemy wyrażenie na czas ładowania ondensaora 1 : U g 1 ln K, gdzie U z U g K ln (11) U z

6 Badanie procesów relasacyjnych w obwodach elerycznych 6 Zmiany napięcia w procesie rozładowania (8) opisane są zależnością wyładniczą U ( ) U0e N i przebiegają od napięcia U c () = U z do napięcia U c ( 2 ) = U g, związanych zależnością : 2 U g U ze N (12) Zaem czas rozładowania 2 wynosi: U z 2 N ln. (13) U g Ores drgań relasacyjnych T jes sumą czasów ładowania 1 i rozładowania 2 : T = 1 2 (14) Na rys. 6b przedsawiono przebieg zmian napięcia U() na oładach ondensaora w funcji czasu, uzysany graficznie z odpowiednich wycinów rzywych U c () ładowania i rozładowania ondensaora (rys. 6a). Dzięi zjawisu jarzenia się gazu, owarzyszącemu jonizacji lawinowej, można bezpośrednio obserwować wysępowanie ego procesu i mierzyć ores drgań relasacyjnych. U a) U b) U z U g I U z U g II 1 2 ys.6. zasowe zmiany napięcia na ondensaorze w procesie drgań relasacyjnych. a) zmiany napięcia na ondensaorze: rzywa ładowania (I), rzywa rozładowywania (II) w obwodzie bez neonówi; b) zmiany napięcia na ondensaorze w procesie drgań relasacyjnych. U z napięcie zapłonu neonówi, U g napięcie gaśnięcia neonówi, napięcie zasilacza, 1 czas ładowania ondensaora, 2 czas rozładowania ondensaora.

7 Badanie procesów relasacyjnych w obwodach elerycznych 7 3. Wyonanie ćwiczenia W zależności od czasu przeznaczonego na wyonanie ćwiczenia, po porozumieniu z asysenem, wyonujemy pomiary w pełnym lub ograniczonym zaresie. Do pomiarów porzebny jes soper. 3.1 Badanie procesu ładowania (rozładowania) ondensaora. Obwody, w órych obserwujemy ładowanie lub rozładowanie ondensaora zesawiamy według schemaów z rys. 3 lub rys. 4. Klucz K (rys. 3) dołączony do ołade ondensaora służy do jego rozładowania przed ponownym przeprowadzeniem pomiaru i w czasie ich rwania powinien pozosać owary. Klucz K z rysunu 4 zwieramy na róą chwilę, aby naładować ondensaor i owieramy rozpoczynając proces rozładowania ondensaora. Wynii pomiarów naężenia prądów ładowania (rozładowania) ondensaora odczyywanych co 5 seund zapisujemy w abelach według poniższego wzoru (abela 1). Pomiary naężeń prądów ończymy po czasie = 3τ, gdy ich warość spada do ooło 5% począowej warości. Tabela 1 [μf] [Ω] (s) I 0 ( A) = 1 = 2 = 2 = 1 = 2 = 3.2 Wyznaczanie oresu drgań relasacyjnych. Ja pamięamy, dzięi zjawisu świecenia gazu w neonówce owarzyszącemu jonizacji lawinowej, można bezpośrednio obserwować wysępowanie ego procesu i mierzyć ores drgań relasacyjnych. Ores drgań relasacyjnych T jes sumą czasu ładowania 1 i rozładowania 2 ondensaora, T = 1 2. Ponieważ czas relasacji obwodu rozładowania τ = N jes bardzo mały z powodu małej warości rezysancji neonówi N w sanie przewodzenia (jonizacji lawinowej) obserwacja drgań ze soperem w ręu wymaga, ze względu na ograniczoną szybość ludziej percepcji, wydłużenia oresu poprzez wydłużenia czasów ładowania wymagające dużych warości oporności w obwodzie ładowania. W rezulacie, ze względu na powyższy warune sosune czasów ln[( ) /( )] 1 U g U z 1 i ores drgań relasacyjnych T 1. Obserwacja drgań na eranie ln( U / U ) 2 N g z oscylosopu wymaga z olei szybich przebiegów ze względu na rudności synchronizacji przebiegów wolnych, dlaego ym razem w obwodzie ładowania należy włączyć rezysor o warości porównywalnej z N. W ym uładzie zaem ores drgań będzie równy T = 1 2. Do obliczenia czasów 1 i 2 wymagane są warości napięcia zapłonu U z i gaśnięcia U g neonówi, a aże napięcia zasilacza, (parz zależności (11), (13)).

8 Badanie procesów relasacyjnych w obwodach elerycznych Pomiar napięcia zapłonu U z i gaśnięcia U g neonówi. 1. Zesawić uład pomiarowy według schemau przedsawionego na rys Przez obró poręła zasilacza bardzo powoli zwięszać napięcie aż do momenu zapłonu neonówi. 3. Zanoować najwyższą warość napięcia odczyaną PZED zaświeceniem, U z (w momencie zaświecenia napięcie spada o ilanaście wolów w sosunu do zw. napięcia pracy). 4. Powoli obniżać napięcie i zanoować warość U g, przy órej zania jarzenie gazu. Pomiar powórzyć ilaronie, a wynii zapisać w abelce 2 i obliczyć ich warości średnie. Uwzględnić niepewności ypu A i ypu B. ~ 220 V ZASILAZ N V U z lub U g ys. 7. Schema uładu do pomiaru napięcia zapłonu i gaśnięcia neonówi. Tabela 2. n U[V] U z U śr U g 3.4. Badanie zależności oresu drgań od warości rezysancji i pojemności. 1. Zesawić uład pomiarowy w/g schemau przedsawionego na rys.8. ZASILAZ ~ 220 V V N ys. 8. Uład do obserwacji drgań relasacyjnych w obwodzie z lampą neonową. 2. Usawić aą warość napięcia zasilacza U, aby zaobserwować rozbłysi neonówi dla ażdej warości rezysancji (napięcie zasilacza w racie pomiarów musi pozosać sałe). 3. Zmierzyć co najmniej dwuronie czas n=20 rozbłysów neonówi dla różnych olejnych warości. Wynii pomiarów i obliczony ores drgań zapisujemy w abeli Oszacować warości niepewności,, U z, U g, U. Tabela 3 [F] [Ω] 20 [s] T esp [s] 1 = 1 =... = 2 = 1 =... =

9 Badanie procesów relasacyjnych w obwodach elerycznych Obserwacja drgań relasacyjnych na eranie oscylosopu. 1. Zesawić uład pomiarowy według schemau przedsawionego na rys. 9, pamięając o poprawnym połączeniu zacisu masy zasilacza i oscylosopu oraz włączeniu do obwodu rezysora o mniejszej warości. 2. Na podsawie obserwacji przebiegu na eranie oszacować czasy ładowania i rozładowania ondensaora. ~ 220 V ZASILAZ V N Y ys. 9. Schema uładu do obserwacji drgań relasacyjnych na eranie oscylosopu. 4. Opracowanie wyniów 4.1. Badanie ładowania (rozładowania) ondensaora. 1. Wyonać wyresy prądów ładowania (rozładowania) przy pomocy programu ompuerowego w uładzie I = f() oraz w uładzie lni = f(). W pierwszym przypadu puny pomiarowe powinny uładać się woół rzywej wyładniczej, w drugim zaś wzdłuż linii prosej. 2. Oreślić czasy relasacji badanych procesów dla różnych warości iloczynu, wyorzysując meodę wybraną przez asysena. a) Meoda wyznaczenia nachylenia wyresów ln I = f(). W ym uładzie współrzędnych puny pomiarowe powinny uładać się wzdłuż prosych lni = /τ lni 0, (y = bx a), a więc obliczenie τ=1/b sprowadza się do obliczenia odwroności współczynnia ierunowego prosej przy pomocy meody najmniejszych wadraów (w programie Origin). Korzysając z esu χ 2, powierdzić lub nie esponencjalną zależność prądu od czasu. b) Meoda wyniająca z definicją czasu relasacji τ: na wyresie I() na osi prądu oznaczamy dwie warości I 1 i I 2 pozosające w sosunu I 2 = I 1 /e, wedy różnica ich odcięych oreśla przedział czasowy Δ = τ. Powarzamy ę czynność w ilu różnych punach wyresu i obliczamy z nich warość średnią. Wybór meod obliczania τ uzgadniamy z asysenem. Wynii e należy zesawić w abelce wraz z warością τ obliczoną z czasu połowicznego zaniu oraz z warością iloczynu τ =. Niepewność złożoną obliczamy dla wyorzysanej meody. 3. Wynii obliczeń oraz niepewności pomiarów umieścić w abeli 4. Tabela 4 [Ω] [μf] [s] u(τ obl ) [s] τ esp [s] u(τ esp ) [s] 1 = 1 = 1 = 1 =

10 Badanie procesów relasacyjnych w obwodach elerycznych Badanie drgań relasacyjnych. 1. Obliczyć niepewność złożoną u c (T) na podsawie oszacowanych niepewności,, U z, U g, U. 2. Porównać zmierzone w doświadczeniu warości oresów T esp z obliczonymi według wzoru T obl = K (wzór 11), a wynii zesawić w abeli Sporządzić wyresy T = f() dla sałych warości. Tabela 5 [Ω] [μf] T esp [s] T obl [s] u(t esp ) [s] u(t obl ) [s] 1, 1..., j 5. Pyania onrolne (pełny wyaz na sronie laboraorium) 1. Scharaeryzować właściwości uładu, w órym możliwe jes wysąpienie drgań relasacyjnych. 2. Porównać drgania relasacyjne i harmoniczne. 3. Dlaczego wybraliśmy obwód jao uład badania drgań relasacyjnych? 4. Jaie zmiany przebiegu napięcia na ondensaorze U c zaobserwujemy na eranie oscylosopu po wymianie neonówi na inną o paramerach U z = 2U z i U g = U g? 5. Opisz zasadę działania lampy neonowej. 6. Lieraura 1. D. Halliday,. esni; Fizya;.2, rozdz.32, PWN E. Purcell; Eleryczność i magneyzm; rozdz.4.1, PWN Podręczni ursu fizyi dla szoły średniej.

11 Badanie procesów relasacyjnych w obwodach elerycznych 11 DODATEK 1. ównanie różniczowe opisujące szybość zmian wielości y w czasie ma posać: dy y y, (D1) d w órym λ jes współczynniiem proporcjonalności. Szczególnie ławo uzysujemy rozwiązanie, gdy y maleje od warości począowej y 0 do warości ońcowej y ( y 0 y ) Jes o równanie różniczowe pierwszego rzędu, óre rozwiązujemy meodą rozdzielenia zmiennych. Mnożąc obie d srony równania (1) przez wyrażenie i całując obusronnie (dla prosoy przyjmijmy, y y że w sanie równowagi y 0 ), uzysujemy równanie: dy d, (D2) y y órego funcją pierwoną jes funcja ln( y y ) ln( y y ) ln A (D3) a rozwiązanie po uwzględnieniu warunu począowego A y( 0) y0, oraz y 0 przyjmuje posać: ln y = λ ln y 0, (D4) ponieważ ln y ln y0 y ln y0 (D5) czyli y ln y0 (D6) po przeszałceniu orzymujemy posać funcji wyładniczej y e y0 (D7) czyli ( ) y e (D8) y 0 W procesie przeciwnym, gdy san równowagi zosaje osiągnięy poprzez wzros wielości y jej zmiany w czasie opisywane są przez dopełniającą zależność wyładniczą: [ 1 exp( )]. (D9) Po uwzględnieniu w równaniu (D3) warunu począowego y(0) = 0 prowadzącego do warości sałej A y, orzymujemy równanie: ln( y y ) ln y, (D10) óre po przeszałceniu przyjmuje posać dopełniającej funcji wyładniczej: y ( ) y (1 e ). (D11)

12 Badanie procesów relasacyjnych w obwodach elerycznych 12 DODATEK 2. Właściwości lampy neonowej Lampa neonowa jes bańą szlaną z wopionymi dwiema elerodami i napełnioną gazem szlachenym pod obniżonym ciśnieniem (rzędu Pa). W rozrzedzonym gazie droga swobodna cząsecze ulega wydłużeniu, dzięi czemu uławione jes uzysanie wyładowania jarzeniowego po przyłączeniu nisiego napięcia rzędu iludziesięciu V do jej elerod. Podamy u uproszczony opis ego zjawisa. Zdolność przewodzenia prądu elerycznego zależy od liczby nośniów ładunu. Dla gazu oncenracja nośniów ładunu, j. liczba nośniów w jednosce objęości, jes wielością dynamiczną i jej chwilowa warość oreślona jes przez szybość generacji i reombinacji nośniów. Pod nieobecność zewnęrznego napięcia gaz w lampie neonowej jes w wyniu dysocjacji ermicznej i promieniowania ylo w zniomym sopniu zjonizowany na jony dodanie (aiony) i elerony, a oncenracja nośniów jes blisa zeru. W polu elerycznym powsałym po przyłożeniu napięcia do elerod neonówi, isniejące ładuni unoszone są do odpowiednich elerod, worząc prąd o bardzo małym naężeniu. Opór neonówi jes wedy duży, lecz jego warość jes sończona. Zwięszenie napięcia powoduje zwięszenie prędości unoszenia i w wyniu ego wzros naężenia prądu, aż do osiągnięcia warości prądu nasycenia, odpowiadającej usuwaniu wszysich isniejących w obszarze międzyelerodowym nośniów prądu. Jedna wobec zniomo małej oncenracji nośniów, gaz zamnięy w bańce, możemy dla ego zaresu napięć, dla celów praycznych raować jao izolaor. Przy wyższych napięciach, elerony przyspieszone w polu elerycznym, uzysują energię ineyczną porównywalną z energią jonizacji cząsecze gazu. Energia jonizacji jes o energia wysarczająca do oderwania eleronu od cząseczi gazu, w órego rezulacie w miejsce obojęnej elerycznie cząseczi powsaje swobodny eleron i dodanio naładowany aion. Gdy energia ineyczna eleronów, wraz ze wzrosem napięcia między elerodami, osiągnie energię jonizacji cząse gazu, prawdopodobieńswo jonizacji zderzeniowej eleronów z moleułami gwałownie rośnie, prowadząc do zwięszenia oncenracji nośniów prądu. W silnych polach elerycznych energia ineyczna eleronu przewyższa znacznie energię jonizacji i jeden eleron wyniu nasępujących po sobie zderzeń wywarza całą lawinę jonów dodanich i eleronów. Powsałe elerony jonizują olejne moleuły gazu. Proces powielania narasa lawinowo w ierunu anody i obszar między elerodami zosaje całowicie zjonizowany. Narasanie procesu lawinowego prowadzi w wyniu różnicy ruchliwości jonów dodanich i eleronów do powsania niejednorodnego rozładu pola między elerodami. Elerony jao nośnii o dużej ruchliwości docierają bez przeszód do anody. Naomias ciężie jony gazu (aiony) unoszone są znacznie wolniej w przeciwnym ierunu worząc ładune przesrzenny w obszarze między elerodami. Jednorodne począowo pole eleryczne w wyniu obecności ładunu przesrzennego oncenruje się między nim a aodą. W pobliżu aody, w wyniu narasania przebicia lawinowego, wzrasa oncenracja aionów gazu i powsaje bardzo silne pole eleryczne. Powierzchnia aody bombardowana jes przez aiony, a energia ineyczna ych aionów, óre przebyły odcine od anody jes wysarczająco duża, aby powodować wybijanie z powierzchni aody wórnych eleronów (zw. emisja wórna). Elerony e, dodaowo przyspieszone w polu elerycznym, rozpoczynają proces jonizacji już przy aodzie. Pierwone czynnii przesają odgrywać znaczącą rolę w procesie generacji nośniów prądu wobec wybijania eleronów z aody i jonizacji zderzeniowej. Zjawiso o nosi nazwę przebicia elerycznego gazu, a odpowiadające mu napięcie U z napięciem zapłonu. Zderzenia ych eleronów, óre posiadają energię mniejszą od energii jonizacji moleuły gazu prowadzi jedynie do wzbudzenia uderzonej moleuły. Energia a jes wypromieniowywana w formie wanów świała. Dlaego dzięi owarzyszącemu jonizacji lawinowej świeceniu gazu możemy swierdzić jej wysępowanie. Zjonizowany gaz jes a dobrym przewodniiem, że naężenie przepływającego przez lampę prądu ograniczone jes ylo przez rezysancję w obwodzie zewnęrznym. Isoną cechą wyładowania jarzeniowego jes jego zdolność samopodrzymywania nawe przy obniżeniu napięcia poniżej warości U z na sue efeu wórnej emisji eleronów z aody w wyniu jej bombardowania przez aiony gazu. W rezulacie zani wyładowania nasępuje przy napięciu U g, niższym od U z o ooło 20 30V.

13 Badanie procesów relasacyjnych w obwodach elerycznych 13 Z opisu zjawisa wynia, że wywołanie wyładowania jarzeniowego zależy przede wszysim od energii jonizacji gazu i pracy wyjścia eleronów z maeriału aody. Przy opymalizowaniu onsrucji elemenów jarzeniowych mającej na celu uzysanie nisich warości napięcia zapłonu U z, swierdzono zależność U z od iloczynu pd, gdzie p jes ciśnieniem gazu, d odległością między elerodami (parz rys.10). Wzros warości U z dla dużych warości pd (w zaresie dużych ciśnień) spowodowany jes sróceniem drogi swobodnej, zaś w obszarze małych ciśnień i małych rozmiarów bańi zmniejszeniem prawdopodobieńswa jonizacji zderzeniowej. U z 0 ( pd ) op. pd ys.10. Zależność napięcia zapłonu neonówi U z od iloczynu pd, gdzie p jes ciśnieniem gazu a d odległością między elerodami.