Khảo sát mạch dao động tích phóng dùng đèn neon đo điện trở và điện dung

KHẢO SÁT MẠCH DAO ĐỘNG TÍCH PHÓNGDÙNG ĐÈN NEON ĐO ĐIỆN TRỞ VÀ ĐIỆN DUNGMạch dao động tích phóng dùng đèn neon làmột mạch dao động điện đơn giản Hình 1 gồm:đèn neon Ne là một bóng thuỷ ti

STT MSSV HỌ VÀ TÊN EMAIL

1 2110640 Bùi Minh Tuấn tuan.bui2308@hcmut.edu.vn

2 2111905 Nguyễn Đức Nhân nhan.nguyennhank21@hcmut.edu.vn

3 2113350 Lê Trung Hiếu hieu.lekuzan@hcmut.edu.vn

5 2114092 Lê Trần Liễu My my.le1306@hcmut.edu.vn

Bài 6:

Giảng viên: Trịnh Trần Hồng Duyên

Lớp: L05

Danh sách thành viên:

KHẢO SÁT MẠCH DAO ĐỘNG TÍCH PHÓNG DÙNG ĐÈN NEON ĐO ĐIỆN TRỞ VÀ ĐIỆN DUNG

Mạch dao động tích phóng dùng đèn neon là

một mạch dao động điện đơn giản (Hình 1) gồm:

đèn neon Ne (là một bóng thuỷ tinh nhỏ, bên trong

được hút chân không đến cỡ 10mmHg và có hai điện

cực kim loại A và K đặt cách nhau 2 ÷ 3mm), điện

trở bảo vệ mạch điện R có giá trị cỡ mêgaôm (MΩ)

mắc nối tiếp với đèn neon Ne, tụ điện có điện dung

C cỡ micrôfara (µF) mắc song song với đèn neon

Ne, nguồn điện không đổi có hiệu điện thế Un.

Hình 1

Đầu tiên, tụ điện C tích điện từ nguồn điện Un Hiệu điện thế U giữa hai cực của tụ điện C tăng dần từ 0 đến giá trị US Khi U =U S: đèn neon Ne bừng sáng (trở thành vật dẫn điện có điện trở khá nhỏ, nhưng do có điện trở R mắc nối tiếp với nó, nên cường độ dòng điện trong mạch khá nhỏ, chỉ đạt khoảng chục micrôampe) Tụ điện C phóng điện qua đèn neon Ne và hiệu điện thế U giữa hai cực của nó giảm rất nhanh từ Us xuống giá trị U T Khi U = U T : đèn

neon Ne vụt tắt và trở thành vật cách điện Tụ điện C không phóng điện nữa, mà tích điện từ nguồn điện Un và hiệu điện thế U giữa hai cực của nó lại tăng dần từ U T đến giá trị U S

Khi U = US: đèn neon Ne lại bừng sáng Tiếp sau đó, toàn bộ quá trình tích điện và phóng điện của đèn neon Ne lại lặp lại tuần hoàn theo thời gian và gọi là dao động tích phóng.Sự biến thiên của hiệu điện thế U giữa hai

cực của tụ điện C trong mạch dao

động tích phóng dùng đèn neon được

biểu diễn trên hình 2

Giá trị US gọi là hiệu điện thế sáng

và giá trị UT gọi là hiệu điện thế tắt.

Chu kỳτ của dao động tích phóng

bằng khoảng thời gian giữa hai lần

bừng sáng liên tiếp của đèn neon Ne

trong mạch điện: τ =¿ t 2 - t1

Có thể tìm biểu thức chu kỳ τ của dao động tích phóng bằng cách áp dụng định luật Ôm

đối với mạch điện trên hình 1, ta có:

i= U n−U

R (1)

với i là cường độ dòng điện chạy trong mạch khi tụ điện đang tích điện từ nguồn điện Un Sau khoảng thời gian rất nhỏ dt, điện tích của tụ điện tăng thêm một lượng bằng :

dq=i dt (2)

Nhưng điện tích của tụ điện q = C.U, với C là điện dung của tụ điện, nên ta có

dq=C dU (3)

Thay (1) và (3) vào (2): C dU = U n−U

R dt, suy ra: dt = RC

dU

U n−U (4)

Thực tế, vì tụ điện C phóng điện rất nhanh (gần như tức thời), nên có thể coi gần đúng:

τ =t2−t1 ' , với t1' là thời điểm tụ điện C lại bắt đầu tích điện từ nguồn điện Un sau khi đèn

neon vụt tắt Thực hiện phép tích phân đối với phương trình (4) từ thời điểm t1' đến thời điểm

t 2 ứng với các giá trị hiệu điện thế U T và U S giữa hai cực của tụ điện C:

τ ≈∫

t1

t2

1 dt=∫

UT

US

U n−U

Ta tìm được chu kỳ τ của mạch dao động tích phóng dùng đèn neon:

τ ≈ RC ln ln U n−U T

Chu kỳ τ của mạch dao động tích phóng tỷ lệ với điện trở R và điện dung C trong mạch.

Trong thí nghiệm này, ta khảo sát mạch dao động tích phóng dung đèn neon bằng nghiệm

lại công thức (5) Mặt khác, sử dụng mạch dao động tích phóng để xác định các điện trở Rx và điện dung Cx mắc trong mạch này.

II Trình tự thí nghiệm

1 Dụng cụ đo

Điện trở mẫu R0 = 1,00 ± 0,01MΩ;

Điện trở cần đo Rx;

Điện trở bảo vệ mạch điện R = 150kΩ;

Tụ điện mẫu C0 = 1,00 ± 0,01μF;

Tụ điện cần đo Cx;

Máy đo thời gian đa năng hiện số, chính xác 0,01s;

Vôn kế chỉ thị kim, δ v = 1,5%, U = 100V;

Cảm biến thu-phát quang điện hồng ngoại

2 Đo hiệu điện thế sáng U S và hiệu điện thế tắt U T của đèn neon

a Chưa cắm phích lấy điện của bộ thiết bị thí nghiệm vật lý vào nguồn điện ~220V

Quan sát mặt máy trên giản đồ hình 3

b. Mắc mạch điện trên mặt máy theo sơ đồ

hình 4, trong đó:

- Điện trở bảo vệ R = 150k mắc nối tiếp với

đèn neon Ne giữa hai chốt P, Q.

- Vôn kế V mắc song song với đèn neon Ne

giữa hai chốt L, E (hai chốt S, E2 dùng quan sát dao

động tích phóng trên dao động ký điện tử)

- Núm xoay của nguồn điện Un đặt ở vị trí 0

(hiệu điện thế của nguồn điện này có thể thay đổi từ 0

đến +100V nhờ một biến trở núm xoay mắc giữa hai

chốt P, E1).

- Khoá K (công tắc) đặt ở trạng thái ngắt điện.

Chú ý: Trước khi cắm phích lấy điện của bộ thiết bị thí nghiệm vào nguồn ~220V,

phải mời thầy giáo tới kiểm tra mạch điện và hướng dẫn cách sử dụng để tránh làm hỏng máy!

c. Bấm khoá K trên mặt máy: đèn LED phát sáng Vặn từ từ núm xoay của nguồn điện

U n để tăng dần hiệu điện thế U giữa hai cực của đèn neon Ne cho tới khi đèn bừng sáng Đọc

và ghi giá trị của hiệu điện thế sáng US chỉ trên vôn kế V vào bảng 1.

Sau đó lại vặn từ từ núm xoay của nguồn Un để giảm dần hiệu điện thế U giữa hai cực của đèn neon Ne cho tới khi đèn vụt tắt Đọc và ghi giá trị của hiệu điện thế tắt UT chỉ trên

vôn kế V vào bảng 1.

Thực hiện lại động tác này 5 lần Đọc và ghi các giá trị tương ứng của US và U T trong

mỗi lần đo vào bảng 1

d Vặn núm xoay của nguồn Un về vị trí 0 Bấm khoá K trên mặt máy để ngắt điện Tháo

bỏ điện trở bảo vệ R ra khỏi mạch điện.

3 Nghiệm công thức xác định chu kỳ τ0 của mạch dao động tích phóng

a Mắc lại mạch điện trên mặt máy theo sơ đồ mạch điện hình 5, trong đó:

− Vôn kế V mắc giữa hai chốt P, E1.

− Tụ điện mẫu C0 mắc song song với đèn neon Ne giữa hai chốt L, E.

− Điện trở mẫu R0 mắc nối tiếp với đèn neon Ne giữa hai chốt P, Q.

b Đặt đầu cảm biến thu-phát quang điện hồng ngoại lên mặt máy sao cho đèn neon Ne

nằm giữa hai lỗ cửa sổ của đầu cảm biến Cắm đầu cảm biến vào ổ A của máy đo thời gian đa

năng hiện số (Hình 6) Vặn núm chọn kiểu đo "MODE" sang vị trí n = 50 Gạt núm chọn thang đo thời gian "TIME RANGE" sang vị trí 99,99s.

Mời thầy giáo tới kiểm tra mạch điện trên mặt máy

MC -958 Cắm phích lấy điện của máy vào nguồn điện

~220V

c. Bấm khoá K trên mặt máyđể đóng điện vào máy:

đèn LED phát sáng Vặn núm xoay của nguồn điện Un để

vôn kế V chỉ giá trị Un = 90V và giữ giá trị này không đổi

trong thời gian mạch R0 C 0 thực hiện dao động.

Theo công thức (5), dao động tích phóng của mạch R0 C 0

có chu kỳ bằng:

τ0=R0.C0 ln U n−U T

U n−U S

d Cắm phích lấy điện của máy đo thời gian vào nguồn điện ~220V Bấm khóa đóng

điện K: các chữ số phát sáng hiện thị trên cửa sổ "CHU KỲ" và "THỜI GIAN" Bấm nút

"RESET"để đưa các chữ số về trạng thái 0.000 Sau đó, máy đo thời gian tự động đo khoảng thời gian t0 của n = 50 chu kỳ dao động tích phóng τ0 của mạch R0 C 0 ứng với 51 lần bứng

sáng liên tiếp của đèn neon Ne

Thực hiện 5 lần phép đo t0 Đọc và ghi giá trị tương ứng của t0 trong mỗi lần đo vào bảng

1 Từ đó suy ra chu kỳ dao động tích phóng τ0 của mạch điện R0 C 0 đo bằng:

τ0=t0

t0

50 (7)

Có thể nghiệm lại công thức (5) bằng cách so sánh kết quả xác định chu kỳ dao động tích

phóng τ0 theo các công thức (6) và (7)

e Vặn núm xoay của nguồn Un về vị trí 0 Bấm khoá K trên mặt máy để ngắt điện.

3 Xác định điện trở R x

a Thay điện trở cần đo Rx vào vị trí của điện trở mẫu R0 mắc giữa hai chốt P, Q trong sơ

đồ mạch điện hình 5 Bấm khoá K trên mặt máy: đèn LED phát sáng

Vặn núm xoay của nguồn Un để vônkế V chỉ giá trị Un = 90V và giữ giá trị này không đổi trong thời gian mạch điện Rx C0 thực hiện dao động tích phóng

Theo công thức (5), chu kỳ dao động tích phóng τR của mạch điện Rx C0 tính bằng:

τ R=R x C0 ln ln(U n−U T

U n−U S)(8)

b Bấm nút "RESET" của máy đo thời gian để đưa các chữ số về trạng thái 0.000 Sau đó,

máy đo thời gian tự động đo khoảng thời gian tR của n = 50 chu kỳ dao động tích phóng τ0

của mạch điện Rx C0 ứng với 51 lần bừng sáng liên tiếp của đèn neon Ne

Thực hiện 5 lần phép đo tR Đọc và ghi giá trị tương ứng của tR trong mỗi lần đo vào bảng

1 Từ đó suy ra chu kỳ dao động tích phóng τ0 của mạch điện Rx C0 đo bằng:

τ R=t R

t R

50(9) Chia công thức (8) cho (6), đồng thời chú ý đến (7) và (9), ta tìm được :

R x=R0 τ R

τ0=R0 t R

t0(10)

c Vặn núm xoay của nguồn Un về vị trí 0 Bấm khoá K trên mặt máy để ngắt điện

4 Xác định điện dung Cx

a Thay tụ điện có điện dung Cx cần đo vào vị trí của tụ điện mẫu C0 mắc giữa hai chốt L,

E trong sơ đồ mạch điện hình 5 Bấm khoá K trên mặt máy: đèn LED phát sáng

Vặn núm xoay của nguồn Un để vônkế V chỉ giá trị Un = 90V và giữ giá trị này không đổi trong thời gian mạch điện R0 Cx thực hiện dao động tích phóng

Theo công thức (5), chu kỳ dao động tích phóng τ0 của mạch điện R0 Cx tính bằng:

τ C=R0.C0 ln ln(U n−U T

U n−U S)(11)

b Bấm nút "RESET" của máy đo thời gian để đưa các chữ số về 0.000 Sau đó, máy đo

thời gian tự động đo khoảng thời gian tC của n = 50 chu kỳ dao động tích phóng C của mạch điện R0 Cx ứng với 51 lần bứng sáng liên tiếp của đèn neon Ne

Thực hiện 5 lần phép đo tC Đọc và ghi giá trị tương ứng của tC trong mỗi lần đo vào bảng 1

Từ đó suy ra chu kỳ dao động tích phóng C của mạch điện R0 Cx đo bằng:

τ C=t C

t C

50(12)

Chia công thức (11) cho (6), đồng thời chú ý đến (7) và (12), ta tìm được :

C x=C0 τ C

τ0=C0 t C

t0(13)

c Đọc và ghi các số liệu sau đây vào bảng 1 :

- Giá trị cực đại Um và cấp chính xác v của vônkế V

- Độ chính xác t của máy đo thời gian

- Giá trị điện trở mẫu R0

- Giá trị điện dung mẫu C0

d Vặn núm xoay của nguồn Un về vị trí 0 Bấm các khoá K trên mặt máy để ngắt điện: các

đèn LED đều tắt Rút phích lấy điện của các máy ra khỏi nguồn ~220V.Thu xếp gọn gàng các dụng cụ trên bàn thí nghiệm.

III Công thức tính và công thức sai số:

1 Công thức tính điện trở, điện dung và chu kì dao động:

2 Tính sai số tỉ đối:

III Bảng số liệu

- Vôn kế V: U m=100 (V );δV=1,5 %

- Điện trở mẫu: R0=1,00± 0,01(MΩΩ)

- Điện dung mẫu: C0=1,00 ± 0,01( μF )

- Độ chính xác của máy đo thời gian: Δt = 0,01 (s)

Lần đo U S

(V)

ΔUS (V)

U T (V)

ΔUT (V) t 0 (s) Δt0 (s) t R (s) ΔtR (s) t C (s) ΔtC (s)

Trung

bình 74,0 0 60,0 0 43,778 0,050 62,602 0,062 27,838 0,058

V Xử lý số liệu

1 Tính thời gian t 0 (R 0 , C 0 ) và sai số

´

t0=t01+t02+t03+t04+t05

43,78+43,82+43,75+43,86+43,68

Sai số mỗi lần đo:

∆ t01=|t´0−t01|=|43,778−43,78|=0,002(s)

Tương tự: ∆ t0=0,042 ( s) , ∆ t0=0,028 (s ) , ∆ t0=0,082 (s ) , ∆ t0=0,098 (s )

Sai số trung bình:

∆ ´t0=∆ t01+∆ t02+∆ t03+∆ t04+∆ t05

0,002+0,042+0,028+0,082+0,098

Sai số tuyệt đối: ∆ t0=(t0)ht+∆ ´t0=0,01+0,0504=0,0604 ( s )

Ghi kết quả: t0= ´t0± ∆ t0=43,778 ±0,0604 (s)

2 Tính thời gian t R (R x , C 0 ) và sai số

´

t R=t R1+t R2+t R3+t R4+t R5

62,6+62,63+62,45+62,71+62,62

Sai số mỗi lần đo:

∆ t R1=|t´R−t R1|=|62,602−62,60|=0,002(s)

Tương tự: ∆ t R2=0,028 (s ) , ∆ t03=0,152 (s ), ∆ t04=0,108 (s ) , ∆t05=0,018( s )

Sai số trung bình:

∆ ´t R=∆ t R1+∆t R2+∆ t R3+∆ t R4+∆ t R5

0.002+0,028+0,152+0,108+0,018

Sai số tuyệt đối: ∆ t R=(t R)ht+∆ ´t R=0,01+0,0616=0,0716 (s )

Ghi kết quả: t R= ´t R ± ∆ t R=62,602 ± 0,0716 (s)

3 Tính thời gian t C (R 0 ;C x ) và sai số

´

t C=t C1+t C2+t C3+t C4+t C5

27,80+27,86+27,73+27,84+27,96

Sai số mỗi lần đo:

∆ t C1=|t´C−t C1|=|27,838−27,80|=0,038(s)

Tương tự: ∆ t C2=0,022 (s ) , ∆ tC3=0,108 (s ) , ∆ tC4=0,002 (s ), ∆ tC5=0,122 ( s)

Sai số trung bình:

∆ ´t C=∆ t C1+∆ t C2+∆ t C3+∆ t C4+∆ t C5

0,038+0,022+0,108+0,002+0,122

Sai số tuyệt đối: ∆ t C=(t C)ht+∆ ´t C=0,01+0,058=0,068 (s )

Ghi kết quả: t C= ´t C ± ∆ t C=27,838 ± 0,068 (s)

4 Tính sai số U s , U T , U n

Sai số phép đo U S : ∆ U S=(U S)ht+∆ ´ U s=100.1,5 %+ 0=1,5(V )

Sai số phép đo U T : ∆U T=(U T)ht+∆ ´ U T=100.1,5 %+0=1,5(V )

Sai số phép đo U n :∆ U n=(U n)ht+∆ ´ U n=100.1,5 %+ 0=1,5 (V )

Ghi kết quả :

 U S= ´U S ± ∆ U S=74 ±1,5(V )

 U T= ´U T ± ∆ U T=60 ± 1,5(V )

 U n= ´U n ± ∆U n=90 ± 1,5(V )

5 Tính chu kì dao động và sai số

τ0= ´R0 ´ C0 ln(U´n− ´U T

´

U n− ´U s)τ C=1.106.1 10−6 ln(90−6090−74)=0,6286 (s )

∆ τ0=ln(U´n− ´U T

´

U n− ´U s).(C´0 ∆ R0+ ´R0 ∆ C0)+(R´0 ´ C0).[ |U´n− ´1U T−

1

´

U n− ´U s| ∆ U n+|U´n−1− ´U T| ∆ U T+|U´n− ´1U s| ∆ U S]

¿ln(90−5890−74).(1 10−6.0,01 106+1 106.0,01 10−6)+(1.106.1 10−6).[ |90−581 −

1 90−74|.1,5+|90−58−1 |.1,5+|90−741 |.1,5]=0,201(s ) Ghi kết quả : τ0= ´τ0± ∆ τ0=0,6286+0,2001(s)

6 Tính điện trở và sai số

´

R x= ´R0 t´R

´

t0=1 10

−6

.66,602

43,778=1,521.10

−6

(Ω)

Sai số tương đối:

❑Rx=∆ R x

´

R x =

∆ R0

´

R0 +

∆ t R

´

t R +

∆ t0

´

t0 =

0,01

1 +

0,072 62,602+

0,0604 43,778=0,0125

Sai số tuyệt đối: ∆ Rx=❑R x ´ R x=0,0125.1,521 10−6

=0,0190(μΩ)

Ghi kết quả:

R x= ´R x ± ∆ R x=1,521.10−6± 0,0190(μΩ)

7 Tính điện dung và sai số :

´

C x= ´C0 t´C

´

t0= ´R C t´C

´

t0=1 10

−6

.27,838

43,778=0,636.10

−6

(F)

Sai số tương đối :

❑cx=∆ C x

C x

=∆ C0

C0

+∆ t C

t C

+∆ t0 t0 =

0,01 1,00+

0,068 27,838+

0,0604 43,778=0,0138

Sai số tuyệt đối: ∆ C x=❑c

x C x=0,0138.0,636 10− 6

=0,8777 ( μF) Ghi kết quả:

C x= ´C x ± ∆ C x=0,878 ± 0,014(μF)