ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Устройство и работа электронно-лучевой трубки

Лабораторная работа № 17

Изучение электронного осциллографа

Студент должен знать: структурную схему осциллографа; назначение основных блоков осциллографа; устройство и принцип действия электронно-лучевой трубки; принцип действия генератора развертки (пилообразного напряжения), сложение взаимно перпендикулярных колебаний.

Студент должен уметь: определять опытным путем цену деления по горизонтали и по вертикали, измерять величину постоянного напряжения, период, частоту и амплитуду переменного напряжения.

Краткая теория

Структура осциллографа

Электронный осциллограф является универсальным прибором, позволяющим следить за быстропротекающими электрическими процессами (длительностью до 10^-12 с). С помощью осциллографа можно измерить напряжение, силу тока, промежутки времени, определять фазу и частоту переменного тока.

Т.к. в функционирующих нервах и мышцах живых организмов возникают разности потенциалов, то электронный осциллограф, или его модификации широко применяют в биологических и медицинских исследованиях работы различных органов, сердца, нервной системы, глаз, желудка и т.д.

Прибор можно использовать для наблюдения и измерения неэлектрических величин, если применять специальные первичные преобразователи.

В осциллографе нет движущихся механических частей (см. рис. 1), а происходит отклонение электронного пучка в электрическом или магнитном полях. Узкий пучок электронов, попадая на экран, покрытый специальным составом, вызывает его свечение в этой точке. При перемещении пучка электронов можно следить за ним по движению светящейся точки на экране.

Электронный луч «следит» за изменением изучаемого электрического поля не отставая от него, т.к. электронный луч является практически безинерционным.

Рис. 1. Рис. 2.

Структура электронно-лучевой трубки Катод и модулятор

В этом большое достоинство электронного осциллографа по сравнению с другими регистрирующими приборами.

Современный электронный осциллограф имеет следующие основные узлы: электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), генератор развертки, усилители, блок питания.

Устройство и работа электронно-лучевой трубки

Рассмотрим устройство электронно-лучевой трубки с электростатической фокусировкой и электростатическим управлением электронным лучом.

ЭЛТ, схематически изображенная на рис. 1, представляет собой стеклянную колбу специальной формы, в которой создан высокий вакуум (порядка 10^-7 мм рт.ст.). Внутри колбы расположены электроды, выполняющие функцию электронной пушки для получения узкого пучка электронов; отклоняющие луч пластины и экран, покрытый слоем люминофора.

Электронная пушка состоит из катода 1, управляющего (модулирующего) электрода 2, дополнительного, экранирующего электрода 3 и первого и второго анодов 4, 5.

Подогревной катод 1 выполнен в виде небольшого никелевого цилиндра, внутри которого находится нить накала, имеет слой оксида на передней торцевой части с малой работой выхода электронов для получения электронов (рис. 2).

Катод находится внутри управляющего электрода или модулятора, представляющего собой металлический стакан с отверстием в торце, через которое могут проходить электроны. Управляющий электрод имеет отрицательный потенциал относительно катода и, изменяя величину этого потенциала, можно регулировать интенсивность потока электронов, проходящих через его отверстие и тем самым изменять яркость свечения экрана. Одновременно электрическое поле между катодом и модулятором фокусирует пучок электронов (рис. 2).

Экранирующий электрод 3 имеет потенциал немного выше потенциала катода и служит для облегчения выхода электронов, исключения взаимодействия электрических полей управляющего электрода 2 и первого анода 4.

Дополнительная фокусировка и ускорение электронов происходит электрическим полем между первым и вторым анодами, образующими электронную линзу. Аноды эти выполнены в виде цилиндров с диафрагмами внутри. На первый анод 4 подается положительный потенциал по отношению к катоду порядка сотен вольт, на второй 5 порядка тысячи вольт. Линии напряженности электрического поля между этими анодами представлены на рис.3.

Рис. 3.

Электронная «линза»

Такое электрическое поле, ускоряя электроны, одновременно и фокусирует их, заставляя все электроны двигаться вдоль оси ЭЛТ. В самом деле, на электрон в электрическом поле действует сила, направленная в каждой точке по касательной к линиям напряженности противоположно направлению стрелок, т.к. электрон имеет отрицательный заряд. Составляющая силы , заставляет его прижиматься к оси. Чем дальше от оси, тем больше эта сила. Вблизи второго анода картина иная, здесь действие поперечной составляющей поля противоположно.

Собирающее действие электрического поля между анодами преобладает над рассеивающим, т.к. напряженность электрического поля у первого анода больше, больше и густота линий напряженности, чем у второго анода и электроны на участке у второго анода обладают большей скоростью, значит, их отклонение будет меньше.

Изменяя потенциал на первом аноде можно менять сходимость электронного пучка и добиться лучшей фокусировки электронов на экране.

Чувствительность ЭЛТ

Электроны, вылетевшие из катода, находятся под воздействием ускоряющего поля, создаваемого приложенными к анодам напряжениями.

Электрическое поле затрачивает работу по перемещению электрона, которая определяется выражением

, (1)

где - ускоряющее напряжение анода,

е – заряд электрона.

Эта работа затрачивается на создание кинетической энергии, т.е.

, (2)

где m_э - масса электрона,

- скорость электрона.

Из выражения (2) находим значение скорости электрона

. (3)

Таким образом, электроны приходят к отклоняющим пластинам со скоростью, определяемой ускоряющим напряжением U_a (рис. 4).

К вертикально отклоняющим пластинам трубки прикладывается управляющее (исследуемое) напряжение U_y. Это напряжение создает электрическое поле между пластинами, напряженность Е которого равна

, (4)

где d – расстояние между пластинами (рис.4).

Электрическое поле воздействует на пролетающие между пластинами электроны и придает им ускорение а_у в направлении действия поля

.

Движущиеся электроны находятся под воздействием поля в течение времени пролета между пластинами t₁ и приобретают в поперечном направлении скорость

. (5)

Время пролета электронов между отклоняющими пластинами определяется скоростью и длиной пластин l

. (6)

Используя соотношение (5) и (6) получим

. (7)

Рис. 4.

Вертикально отклоняющие пластины

Предполагая скорость электронов при пролете участка L постоянной и равной , определим время пролета , необходимое для прохождения расстояния L

Величина смещения y электронов в направлении, неперпендикулярном продольной оси трубки, будет равна

(9)

Подставляя значение , получим величину смещения луча на экране

. (10)

Анализ выражения (10) показывает, что величина отклонения y зависит от конструкции трубки, ускоряющего напряжения U_a и величин управляющего напряжения U_y. Предполагая конструктивно размеры и U_a постоянными, можно показать, что величина смещения луча по экрану находится в линейном соотношении с величиной приложенного управляющего напряжения, т.е. при

(11)

получим

(12)

Чувствительность трубки S определяется, как величина смещения пятна на экране y, выражаемая в линейных единицах (см, мм) при изменении управляющего напряжения на единицу (вольт)

Величина, обратная чувствительности, называется коэффициентом отклонения

(13)

Этот коэффициент показывает, какое напряжение необходимо подать на пластины трубки, чтобы сместить изображение на единицу длины.