Опыты с неоновой лампочкой

Среди других приборов, в которых используется тлеющий разряд, наиболее пригодна для опытов в домашних условиях неоновая лампочка, например, типа ТН‑02‑2.

Вот её основные характеристики: напряжение, при котором вспыхивает разряд, — не более 85 В, наибольший рабочий ток — 0,25 мА. На рис. 1 показан внешний вид такой лампочки и её условное изображение на схемах.

При включении в цепь постоянного тока корпус цоколя соедините с положительным полюсом источника тока, а его нижний конец — с отрицательным.

Прежде чем приступать к более сложным опытам, сделайте два очень простых. Возьмите расческу и несколько раз энергично проведите ею по волосам. Теперь, держа лампочку одной рукой за цоколь, прикоснитесь к нижнему её концу расческой. На очень короткое время в ней вспыхнет разряд. Если натереть шерстью эбонитовую палочку, то можно провести нижним выводом лампочки вдоль нее, и разряд будет вспыхивать несколько раз.

Второй из простых опытов — изготовление пробника. В нем загоревшаяся лампочка покажет, что к розетке подведено напряжение. Схема такого пробника приведена на рис. 2. Сопротивление R должно быть 47 кОм ÷ 1,5 мОм, чтобы обеспечить нужный ток в цепи. Когда вы включите пробник и лампочка загорится, рассмотрите более внимательно пространство между её электродами. Цвет свечения зависит от состава газа в лампочке и может быть красным или красно-оранжевым. Оно распространено между электродами неравномерно — хорошо виден слой светящегося газа около катода лампы. Меняя сопротивление в указанных выше пределах, можно видеть изменение яркости свечения.

После простых опытов можно приступить к изучению некоторых характеристик лампочки. Для этого необходимо собрать схему, изображенную на рис. 3. К точкам A и B подключается источник постоянного напряжения небольшой мощности. Это могут быть соединенные последовательно батареи, промышленный или самодельный выпрямитель (см., например, в кн.: Борисов В. Г. Юный радиолюбитель. — М., 1974). Вольтметр V имеет предел измерения 150 В, максимальное сопротивление потенциометра R = 47 кОм. Когда напряжение на лампочке увеличивается, в ней сначала течет очень малый темновой ток, и сопротивление лампочки велико. При некотором напряжении U_{зажигания} вспыхивает тлеющий разряд. Для лампочек типа ТН‑02‑2 U_{зажигания} ≃ 80 В. В этот момент сопротивление лампочки уменьшается, ток увеличивается, а напряжение падает: U_{разряда} ≃ 60 В. Перемещая дальше ручку потенциометра, вы заметите, что показания вольтметра не изменяются. При этом ток увеличивается, и разрядом охватывается все бо́льшая площадь катода.

Если приложить к лампочке еще большее напряжение (чего нельзя сделать в нашей схеме), в ней вспыхивает дуговой разряд, и лампочка выходит из строя.

Учитывая, что напряжение, при котором в неоновой лампочке происходит вспышка разряда, выше, чем её рабочее напряжение, можно сделать с помощью лампочки простой генератор колебаний. Его принципиальная схема приведена на рис. 4а. К точкам A и B может быть либо подключен выпрямитель, использовавшийся в предыдущем опыте, либо совсем простой, однополупериодный выпрямитель (рис. 4б). Работает генератор следующим образом.

В момент включения в цепь емкости C₁ генератор начинает заряжаться через сопротивления R₁ и R₂. Лампочка не горит (её сопротивление можно считать бесконечно большим). Напряжение на обкладках C₁ растет со временем t по закону U = U₀(1 − l^−t/RC), где U₀ — напряжение в сети, R = R₁ + R₂, C = C₁ и l — основание натуральных логарифмов — число, равное 2,72.

Когда U станет равным U_{зажигания}, лампа вспыхнет, её сопротивление резко уменьшится, и емкость начнет разряжаться.

Процесс этот идет с гораздо большей скоростью, чем зарядка, и продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не снизится до U_{гашения}. Лампа затухнет, и цикл повторится снова. На экране осциллографа вы можете увидеть картину, подобно представленной на рис. 5.

Меняя величину емкости C₁ и сопротивления R₂, можно получить разную частоту вспыхивания лампы.

• 

  Рис. 1

• 

  Рис. 2

• 

  Рис. 3

• 

  Рис. 4

• 

  Рис. 5