№ 65 (Методические разработки к лабораторным работам)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛомоносоваФизический факультеткафедра общей физики и физики конденсированного состоянияМетодическая разработкапо общему физическому практикумуЛаб. работа № 65ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГООСЦИЛЛОГРАФАОписание составил доц.

Куприянов А.К.Москва - 2012Подготовил методическое пособие к изданию доцент Авксентьев Ю.И.3ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФАВведениеОсциллографом называется прибор, с помощью которого можно наблюдать илифотографировать картину зависимости от времени напряжения u(t) или тока i(t).Электронно-лучевым или катодным осциллографом называетсяосциллограф, в котором кривые зависимости от времени тока или напряжениявычерчиваются на экране узким пучком электронов, летящих с большойскоростью и бомбардирующих экран, покрытый специальным составом исветящийся под их воздействием.

При помощи осциллографа можно измеритьвеличину исследуемого напряжения и длительность его периода. В некоторыхслучаях с его помощью определяют сдвиг фаз между двумя различныминапряжениями.Видимое изображение исследуемого электрического сигнала формируется наэкране электронно-лучевой трубки. Методика получения изображения, точнееее модификации, широко используются в телевизионной технике, а также припостроении картинки на экране компьютера. Кроме электронно-лучевой трубки восциллографе обязательно должны быть генератор развертки, блоксинхронизации и блок питания. В промышленных осциллографах,предназначенных для исследования слабых сигналов, имеется один или несколькоусилителей, которые обеспечивают требуемый уровень изучаемого сигнала.В настоящее время осциллограф является едва ли не обязательным атрибутомпри проведении исследований в области физики, химии, биологии и медицины.Он широко используется в научных экспедициях и геологических партиях.В данной задаче используются промышленные осциллографы типа C1-131/l.предназначенные для исследований в достаточно широком диапазоне частот.

Этовозможно потому, что осциллографы являются практически безинерционнымиприборами. Они могут применяться и для наблюдения быстропеременныхэлектрических процессов с частотой до нескольких десятков мегагерц илиимпульсных процессов с длительностью до тысячных долей микросекунды.1. Основные узлы осциллографа и принципы их действия1-1. Устройство электронно-лучевой трубкиЭлектронно-лучевая трубка является важнейшим элементом катодногоосциллографа.

Она представляет собой запаянную стеклянную колбу, откачаннуюдо высокого вакуума (рис. 1). В колбе находятся: электронная пушка, т.е.система, предназначенная для создания узкого пучка электронов, летящих сбольшой скоростью вдоль оси трубки; отклоняющие пластины, т.е. системаэлектродов, служащая для управления электронным лучом, экран, т.е.флюоресцирующий слой, покрывающий внутреннюю сторону основания колбы,на котором возникает светящееся пятно в том месте, куда попадает пучокэлектронов.4Электронная пушка состоит из группы электродов К, М, A1 и А2 (обведенапунктиром). К - катод электронно-лучевой трубки - имеет форму цилиндрика,внутри которого находится нить накала.

Эмиссия электронов происходит спокрытого оксидным слоем донышка катода. Для регулировки количестваэлектронов в электронном пучке электронно-лучевая трубка имеет управляющийэлектрод М, который представляет собой металлический цилиндр,расположенный вокруг катода. Цилиндр имеет в торце небольшое отверстие,через которое могут проходить электроны. Между катодом и цилиндромсоздается разность потенциалов, причем потенциал цилиндра оказываетсяотрицательным по отношению к катоду. Действие управляющего электродасостоит в том, что электроны,вылетающие из катода, частичноотталкиваютсяуправляющимэлектродом, а частично пролетаютчерез него. При увеличенииотрицательного потенциала науправляющемэлектродеколичествоэлектронов,пролетевшихвотверстие,уменьшается. Таким образом,изменяя потенциал управляющегоэлектрода, можно регулировать количество электронов в пучке, а, следовательно,и яркость пятна на экране.

За управляющим электродом следуют два анода; А1 фокусирующий анод и А2 — ускоряющий анод. Эти аноды выполняютразные функции. Во-первых, они фокусируют пучок электронов. Второй анодимеет более высокий положительный потенциал по сравнению с первым, и междуанодами образуется неоднородное электрическое поле. Электроны, попадая в этополе, начинают двигаться вдоль силовых линий так, что их траекторииискривляются. Фокусировка электронного пучка осуществляется изменениемразности потенциалов между анодами.

Обычно меняют потенциал первого анода,который по величине меньше потенциала второго анода, достигающего значенийот нескольких единиц до нескольких десятков киловольт. Регулируя потенциалпервого анода, можно добиться того, чтобы электронный луч фокусировался в5точку на внутренней поверхности экрана. За электродами электронной пушкинаходятся две пары отклоняющих пластин, служащих для управленияэлектронным пучком.

Одна пара пластин расположена горизонтально и носитназвание вертикально отклоняющих пластин или Y-пластин. Вторая парарасположена вертикально и носит название горизонтально отклоняющихпластин или X - пластин. Если к какой-либо из пар пластин подвестинапряжение, то в пространстве между ними образуется электрическое поле.Электроны пучка при пролете пространства между пластинами испытываютсиловое воздействие со стороны этого поля, вследствие чего их траекторииискривляются (см. рис.2).

Поскольку теперь пучок электронов попадает на экранне в точке О, а в точке А, то нетрудно придти к выводу, что изменениенапряжения на отклоняющих пластинах позволяет перемещать светящееся пятнона экране. Горизонтально расположенные пластины вызывают перемещение повертикали, а вертикально расположенные — по горизонтали. Отклоняющиепластины расположены по оси трубки за анодами, поэтому электроны летят кпластинам, двигаясь равномерно (вдоль оси трубки на них не действуют никакиесилы). Для оценки величины отклонения электронного луча необходимоопределить параметры его движения.

Пусть электрон, влетающий в пространствомежду пластинами. предварительно проходит разность потенциалов UА междувторым анодом и катодом. Его скорость V0, к моменту подлета к пластинам можетбыть определена из закона сохранения энергииmv022eU A(1)где е - заряд электрона, a m — его масса. Время t1. необходимое для того, чтобыэлектрон пролетел горизонтальные пластины длиной l равно t1 = l/V0. Пустьмежду этими пластинами имеется электрическое поле с напряженностью Е.Тогда на электрон в направлении оси Y действует постоянная сила F= еЕ, и онполучает в этом направлении ускорение а = еЕ/m.

Отклонение y1, которое получитэлектрон, пройдя всю длину горизонтальных пластин, равно y1 at12 / 2 .Подставляя сюда значения а и t1 получим:y1at122eE 2l2mv02(2)2В свою очередь, величину mv0 можно заменить, учитывая выражение (1).Тогда формула (2) приобретает такой вид:y1E 2l4U A(2a)6Напряженность электрического поля между пластинами E U y / d , где Uy разность потенциалов между пластинами, a d — расстояние между ними.Поэтомуy1E 2l4U AUy4U A dl2(3)Предположим, что экран расположен на расстоянии L от горизонтальныхпластин.

Тогда общее отклонение луча но вертикали будет у = у1 + у2. где у1,определено выше, а у2 представляет собой вертикальную составляющуюсмещения электрона; полученного им на пути от пластин до экрана. Для простотыпредположим, что при подлете к пластинам скорость электрона была направленастрого вдоль оси трубки. Тогда у2 =vyt2 где vy = at1. а t2=L/v0. Подставляязначения a, t1 и t2 в выражение для y2 получим:y2v y t2at1Lv0aLlv02UyL2U a dl(4)Общее отклонение электронного луча по вертикали, таким образом, равно:yy1y2U ylU yl4U Ad2U AdlUy2U AdllL2U y Ll2U Ad(5)так как L+l/2 L (поскольку l<<L). Из полученной формулы можно определитьодну из важнейших характеристик электронно-лучевой трубки, а именно, еечувствительность.

Чувствительностьютрубки осциллографа называетсяотклонение луча (в мм ) на экране, вызванное разностью потенциалов в одинвольт на отклоняющих пластинах:yLl(6)U y 2U A dПредставим теперь, что пластины осциллографа соединены с источникомсинусоидального переменного напряжения u(t) = U0 sin t. Тогда приположительном потенциале верхней пластины луч отклоняется вверх, а приотрицательном - вниз. Таким образом, электронный луч будет вычерчивать наэкране полоску, длина которой пропорциональна удвоенной амплитудеприложенного напряжения. Зная чувствительность трубки и измерив длинуполоски, можно определить величину U0, т.е. амплитуду переменногонапряжения.