Изучение электронного осциллографа

1. Цель работы: Изучить устройство и работу электронного осциллографа. Провести наблюдение осциллограмм напряжения одно – и двухпериодного выпрямителя.

Теоретическая часть

Осциллограф предназначен для наблюдений формы и измерения параметров электрических сигналов.Упрощенная блок-схема приведена на рис.1.

Рис. 1.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА

Электронно-лучевая трубка - едва ли не самый главный узел осциллографа – представляет собой откачанный до высокого вакуума стеклянный балон, передняя стенка которого(экран) покрывается с внутренней стороны специальным составом – люминофором, при попадании на люминофор электронного луча в местах попадания образуется яркая светящаяся точка.

Для того чтобы понять, как формируется электронный луч, посмотрим, что происходит с заряженной частицей, попавшей в ЭЛТ.

На любую заряженную частицу с зарядом q со стороны электрического поля, напряженность которого , действует сила

,

а со стороны магнитного поля, индукция которого действует сила Лоренца:

,

где - скорость частицы. Здесь и далее все формулы записаны в системе СИ. В электрическом поле сила действует на заряженную частицу всегда. Сила со стороны магнитного поля может быть равна нулю в двух случаях:

1) когда заряженная частица неподвижна ( =0 ),

2) когда заряженная частица движется параллельно силовым линиям магнитного поля ( )

Если движущая частица находится одновременно в электрическом и магнитном полях, то действуют обе силы и .

Второй закон Ньютона , описывающий движение частицы, имеет в этом случае следующий вид:

, (1)

где m - масса частицы; t -время.

Иногда силой Лоренца называют суммарную силу в правой части (I). В (I) не учтена гравитационная сила, что допустимо лишь для элементарных частиц.

Рассмотрим случай, когда элементарная частица влетает в однородное магнитное поле со скоростью , перпендикулярной индукции поля . Предполагаем, что электрического поля нет. Тогда уравнение будет иметь вид:

, (2)

где e -заряд электрона.

Сила Лоренца всегда перпендикулярна векторам и ( по определению векторного произведения). Из перпендикулярности и следует, что работа силы Лоренца всегда равна нулю, т.е. магнитное поле не может изменить энергию заряженной частицы, т.е. не может изменить величину её скорости, меняется лишь направление движения. Эти рассуждения позволяют в данном случае определить вид траектории электрона без решения уравнения (2). Движение с постоянной по величине скоростью под действием постоянной по величине силы, всё время перпендикулярной скорости - это равномерное движение по окружности.

Рис.2

Величина ускорения при равномерном движении по окружности равна , а величину силы Лоренца найдем из определения силы Лоренца.

F_л=eVB sin α = eV₀B,

т.к α = 90⁰; sin 90⁰ = 1

Следовательно, уравнение (2) примет вид:

(3)

Из этого уравнения найдем радиус вращения

(4)

Рассмотрим случай, когда электрон влетает в магнитное поле под произвольным углом α к его силовым линиям.

Рис.3

И в этом случае сила Лоренца всегда перпендикулярна направлению скорости, т.е. и в этом случае величина полной скорости остается постоянной.

Движение со скоростью не вызывает взаимодействия магнитного поля с частицей. Эта скорость не участвует в образовании силы Лоренца, которая определяется только перпендикулярной составляющей.

F_л =eV_┴ B = eV₀ sin α B (5)

Движение заряженной частицы, влетевшей в однородное магнитное поле со скоростью V_┴.- это движение по окружности. Радиус окружности определяется из уравнения 2 закона Ньютона.

(6)

Наличие продольной составляющей приводит к тому, что плоскость, в которой расположена окружность, оставаясь параллельной самой себе, равномерно движется со скоростью вдоль силовых линий, как показано на рисунке 4.

Рис. 4.

Винтовая линия навита на цилиндр радиуса R. Двигаясь по окружности радиуса R со скоростью , электрон делает один полный оборот по окружности за время

(7)

За это время электрон пройдет вдоль силовых линий расстояние ( шаг винтовой линии):

L= V_II ∙ T = V₀∙ cos α ∙ T (8)

Из (7) следует, что Т не зависит от скорости электрона. Следовательно электроны, вышедшие из одной точки О (см.рис.4) с разными скоростями, сделают один оборот по винтовой линии за одно и то же время. Траектории электронов, вышедших из точки О с различными поперечными, но с одинаковыми продольными скоростями, будут навиты на цилиндры разных радиусов, но для всех цилиндров линия ОА является общей образующей.

Устройство ЭЛТ

Рис.5

Н – нить накала, К – катод, М – модулятор, А₁ – первый анод (фокусирующий),

А₂ – второй анод (ускоряющий), Г₁, Г₂ – горизонтально отклоняющие пластины, В₁, В₂ – вертикально отклоняющие пластины ,Э – экран.

Источником электронов является катод К, разогреваемый током, проходящим по нити накала Н. Электроны покидают раскаленный катод в результате термоэлектронной эмиссии. Их дальнейшее движение до экрана определяется электрическими полями, обусловленными потенциалами на электродах М, А_1, А₂ и на отклоняющих пластинах Г₁,Г₂,В_1,В₂. Модулятор М имеет форму цилиндра, окружающего катод. Изменением небольшого отрицательного относительно катода потенциала модулятора можно управлять количеством электронов, проходящих от катода через небольшое отверстие в донышке модулятора, т.е. можно регулировать яркость свечения экрана. Аноды А₁ и А₂ служат для фокусировки электронного пучка и для его ускорения.

Скорость электронов, достигающих экрана, определяется потенциалом анода А₂. От скорости зависит яркость свечения. Следовательно, яркость можно регулировать и потенциалом модулятора М, и потенциалом ускоряющего анода А₂. Но при изменении потенциала А₂ нарушается фокусировка пучка. Для её восстановления следует регулировать потенциал фокусирующего анода А₁.

Сфокусированный и ускоренный пучок электронов попадает в центр экрана, если на отклоняющих пластинах нет напряжения. Разность потенциалов между пластинами Г₁ и Г₂ вызывает отклонение пучка электронов (и пятна на экране) электрическим полем по горизонтали в сторону более положительной пластины. Аналогично разность потенциалов между пластинами В₁ и В₂ вызывает отклонение по вертикали.

3. Экспериментальная часть.

1. Собрать схему

где К₁ – переключатель схемы с однополупериодного выпрямителя на двух- полупериодный; Д₁, Д₂, Д₃, Д₄ – диоды; R - сопротивление нагрузки ;С - ёмкость.

2. Исследовать однополупериодный выпрямитель. При этом выключатель К₁ в отключенном состоянии.

3. Зарисовать осциллограмму.

4. Подключить ёмкость С = 10 миФ, зарисовать осциллограмму.

5. Исследовать двухполупроводниковый выпрямитель, при этом выключатель К₁ перевести во включенное состояние.

6. Зарисовать осциллограмму.

7. Подключить емкость С = 10 миФ, зарисовать осциллограмму.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Особенности движения заряженных частиц в электрических и магнитных полях.

2. Устройство электронно- лучевой трубки.

3. Принцип работы и устройство электронного осциллографа.

Работа № 14