Oscil·loscopi de raigs catòdics | CRO
Què és un oscil·loscopi de raigs catòdics?
Un oscil·loscopi de raigs catòdics (CRO) és un instrument generalment utilitzat en un laboratori per mostrar, mesurar i analitzar diverses formes d'ona de circuits elèctrics. Un oscil·loscopi de raigs catòdics és un plotter X-Y molt ràpid que pot mostrar una senyal d'entrada en funció del temps o d'una altra senyal.
Els oscil·loscopis de raigs catòdics utilitzen punts lluminosos que són produïts pel impacte del raig d'electrons i aquest punt lluminós es mou en resposta a la variació de la quantitat d'entrada. En aquest moment, hauria de sorgir una pregunta en la nostra ment: per què utilitzem només un raig d'electrons? La raó darrere això és l'efecte baix del raig d'electrons que es pot utilitzar per seguir els canvis en els valors instantanis d'una quantitat d'entrada que canvia ràpidament. Les formes generals d'oscil·loscopi de raigs catòdics funcionen amb voltatges.
Així doncs, la quantitat d'entrada de la qual hem parlat anteriorment és el voltatge. Avui en dia, amb l'ajuda de transductors, és possible convertir diverses quantitats físiques com la corrent, la pressió, l'acceleració, etc., en voltatge, així permetent-nos tenir representacions visuals d'aquestes diverses quantitats en un oscil·loscopi de raigs catòdics. Ara, mirem els detalls constructius de l'oscil·loscopi de raigs catòdics.
Construcció de l'oscil·loscopi de raigs catòdics
La part principal de l'oscil·loscopi de raigs catòdics és el tub de raigs catòdics, també conegut com el cor de l'oscil·loscopi de raigs catòdics.
Discutim la construcció del tub de raigs catòdics per entendre la construcció de l'oscil·loscopi de raigs catòdics. Bàsicament, el tub de raigs catòdics consta de cinc parts principals:
Pistola d'electrons
Sistema de plaques de desviació
Pantalla fluorescent
Envoltura de vidre
Base
Necessitaràs tots aquests 5 components per construir el teu propi oscil·loscopi DIY. Ara, discutim aquests 5 components en detall:
Pistola d'electrons:
És la font del raig d'electrons accelerat, energitzat i focalitzat. Consta de sis parts: el calentador, el catò, la graella, l'anode pre-acceleradora, l'anode focalitzadora i l'anode acceleradora. Per obtenir una emissió elevada d'electrons, la capa d'òxid de bari (que està depositada a l'extrem del catò) es calenta indirectament a una temperatura moderada. Els electrons, després d'això, passen a través d'un forat petit anomenat graella de control, que està fet de níquel. Com el nom indica, la graella de control, amb la seva polarització negativa, controla el nombre d'electrons o, indirectament, podem dir la intensitat dels electrons emesos pel catò. Després de passar a través de la graella de control, aquests electrons són accelerats amb l'ajuda de les anodes pre-acceleradora i acceleradora. Les anodes pre-acceleradora i acceleradora estan connectades a un potencial positiu comú de 1500 volts.
Ara, després d'això, la funció de l'anode focalitzadora és focalitzar el raig d'electrons produït. L'anode focalitzadora està connectada a un voltatge ajustable de 500 volts. Hi ha dos mètodes de focalització del raig d'electrons i es detallen a continuació:
Focalització electroestàtica.
Focalització electromagnètica.
Ara, discutim en detall el mètode de focalització electroestàtica.
Focalització electroestàtica
Sabem que la força sobre un electró es dóna per – qE, on q és la càrrega de l'electró (q = 1,6 × 10-19 C), E és la intensitat del camp elèctric i el signe negatiu mostra que la direcció de la força és en direcció contrària a la del camp elèctric. Ara, utilitzarem aquesta força per desviar el raig d'electrons que surt de la pistola d'electrons. Considerem dos casos:
Cas Un
En aquest cas, tenim dues plaques A i B, com es mostra en la figura.
La placa A està a un potencial +E mentre que la placa B està a un potencial –E. La direcció del camp elèctric va de la placa A a la placa B perpendicular a les superfícies de les plaques. Les superfícies equipotencials també es mostren en el diagrama, que són perpendiculars a la direcció del camp elèctric. Quan el raig d'electrons passa a través d'aquest sistema de plaques, es desvia en la direcció contrària al camp elèctric. L'angle de desviació es pot variar fàcilment canviant el potencial de les plaques.
Cas Dos
Aquí tenim dos cilindres còntrics amb un diferencial de potencial aplicat entre ells, com es mostra en la figura.
La direcció resultant del camp elèctric i les superfícies equipotencials també es mostren en la figura. Les superfícies equipotencials estan marcat per línies puntejades que tenen forma corbada. Ara, aquí estem interessats en calcular l'angle de desviació del raig d'electrons quan passa a través d'aquesta superfície equipotencial corbada. Considerem la superfície equipotencial corbada S, com es mostra a continuació. El potencial a la dreta de la superfície és +E, mentre que el potencial a l'esquerra de la superfície és –E. Quan un raig d'electrons incideix a l'angle A respecte a la normal, es desvia per l'angle B després de passar a través de la superfície S, com es mostra en la figura següent. La component normal de la velocitat del raig augmentarà ja que la força actua en la direcció normal a la superfície. Això significa que les velocitats tangencials romandran iguals, així, igualant les components tangencials, tenim V1sin(A) = V2sin(B), on V1 és la velocitat inicial dels electrons, V2 és la velocitat després de passar a través de la superfície. Ara, tenim la relació sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Podem veure, a partir de l'equació anterior, que hi ha una corbatura del raig d'electrons després de passar a través de la superfície equipotencial. Per tant, aquest sistema també es diu sistema de focalització.
Desviació electroestàtica
Per trobar l'expressió de la desviació, considerem un sistema com es mostra a continuació:
En aquest sistema, tenim dues plaques A i B, que estan a un potencial +E i 0, respectivament. Aquestes plaques també s'anomenen plaques de desviació. El camp produït per aquestes plaques està en la direcció de l'eix y positiu i no hi ha força a l'eix x. Després de les plaques de desviació, tenim la pantalla a través de la qual podem mesurar la desviació neta del raig d'electrons. Ara, considerem un raig d'electrons que arriba a l'eix x, com es mostra en la figura. El raig es desvia per l'angle A, degut a la presència del camp elèctric, i la desviació és en la direcció positiva de l'eix y, com es mostra en la figura. Ara, derivem una expressió per a la desviació d'aquest raig. Per la conservació de l'energia, tenim una pèrdua d'energia potencial quan l'electró es mou del catò a l'anode acceleradora, que ha de ser igual a la guanyada en energia cinètica de l'electró. Matemàticament, podem escriure,
On, e és la càrrega de l'electró,
E és el diferencial de potencial entre les dues plaques,
m és la massa de l'electró,
i v és la velocitat de l'electró.
Així, eE és la pèrdua d'energia potencial i 1/2mv1/2 és la guanyada en energia cinètica.
De l'equació (1), tenim la velocitat v = (2eE/m)1/2.
Ara, tenim la intensitat del camp elèctric a l'eix y és E/d, per tant, la força que actua a l'eix y és F = eE/d, on d és la separació entre les dues plaques de desviació.
Per aquesta força, l'electró es desviarà a l'eix y, i deixem que la desviació a l'eix y sigui D, que es marca a la pantalla, com es mostra en la figura. Degut a la força F, hi ha una acceleració neta ascendent de l'electró a l'eix y positiu, i aquesta acceleració és Ee/(d × m). Com que la velocitat inicial a la direcció y positiva és zero, per l'equació de moviment, podem escriure l'expressió de la desplaçament a l'eix y com,
Com que la velocitat a la direcció x és constant, podem escriure el desplaçament com,
On, u és la velocitat de l'electró a l'eix x.
De les equacions 2 i 3, tenim,
Que és l'equació de la trajectòria de l'electró. Ara, en derivar l'equació 4, tenim la pendent, és a dir,
On, l és la longitud de la placa.
La desviació a la pantalla es pot calcular com,
La distància L es mostra en la figura superior. L'expressió final de D es pot escriure com,
