Исследование затухающих колебаний в колебательном контуре (лабораторная работа), страница 5

Выясним её физический смысл. Энергия колебательного контура складывается из энергии электрического поля в заряженном конденсаторе и энергии магнитного поля в катушке индуктивности. При этом величина одного и другого вида энергии колеблется от нуля до максимального значения, причем энергия конденсатора максимальна, когда энергия катушки равна нулю и наоборот. Поэтому полная энергия колебательного контура равна, например, максимальной энергии конденсатора.

                                              ,              (29)

Убыль энергии за период колебаний   .

В случае малого затухания:    ,   .

Тогда:    .

Таким образом, добротность θ пропорциональна отношению энергии, запасенной в контуре к ее убыли за период колебаний  ,                       (30)

( – средняя потеря энергии за время изменения фазы колебания на 1 радиан).

3. Генератор релаксационных колебаний.

Для получения затухающих колебаний в настоящей работе используется генератор релаксационных колебаний, т.е. генератор электрических колебаний, не содержащий колебательных систем и преобразующий с помощью активных нелинейных устройств – электронных ламп, газоразрядных или полупроводниковых приборов – энергию постоянных источников в энергию колебаний, период которых определяется временем релаксации системы (релаксация – переход из возбужденного состояния в состояние равновесия).

Схема простейшего генератора релаксационных колебаний приведена на рис. 5. Газоразрядная (неоновая) лампа, шунтированная конденсатором С_о питается от источника постоянного тока через резистор R₀.

Газоразрядная лампа обладает тем свойством, что разряд в ней начинается только при некотором напряжении, называемом напряжением зажигания Uз, а прекращается при меньшем напряжении, называемом напряжением гашения Uг. Идеализированная вольтамперная характеристика газоразрядной лампы приведена на рис. 6.

При напряжении на лампе  ток через лампу отсутствует (I=0). Пренебрегая длительностью переходных процессов, можно считать, что при  в лампе мгновенно возникает ток I_з (газовый разряд). При дальнейшем увеличении напряжения сила тока возрастает почти линейно. При уменьшении напряжения до Uз лампа не гаснет и при дальнейшем уменьшении U ток линейно уменьшается вплоть до значения напряжения Uг, когда прекращается газовый разряд, лампа гаснет, и ток скачкообразно обращается в нуль.

Пусть в момент времени  t_o=0  включено питание генератора (рис. 5). Конденсатор начинает заряжаться через резистор R_o. Если бы лампа отсутствовала, то напряжение на конденсаторе возрастало бы по закону (см. теоретическое введение к лаб. работе 2.2).

                                                                          (31)

График этой зависимости показан на рис. 7 пунктирной линией. Однако, как только напряжение на конденсаторе достигнет значения U_з, возникнет газовый разряд, через лампу потечет ток и конденсатор начнет разряжаться (при условии ), напряжение на нем начнет падать. Когда оно уменьшится до величины Uг, разряд прекратится, и конденсатор вновь начнет заряжаться. График зависимости напряжения на конденсаторе показан на рис.7 (пилообразное напряжение).