Osciloscopio de Raios Catódicos | CRO
Que é un osciloscopio de raios catódicos
Un osciloscopio de raios catódicos (CRO) é un instrumento xeralmente utilizado en laboratorios para mostrar, medir e analizar varias formas de onda de circuítos eléctricos. Un osciloscopio de raios catódicos é un plotter X-Y moi rápido que pode mostrar unha sinal de entrada en función do tempo ou outra sinal.
Os osciloscopios de raios catódicos usan puntos luminosos que son producidos ao golpear o raio de electróns, e este punto luminoso moveuse en resposta á variación na cantidade de entrada. Neste momento debe xurdir unha pregunta na nosa mente: por que só utilizamos un raio de electróns? A razón detrás disto é o baixo efecto do raio de electróns que pode ser usado para seguir os cambios nos valores instantáneos dunha cantidade de entrada que cambia rapidamente. As formas xerais de osciloscopio de raios catódicos funcionan con voltaxes.
Así, a cantidade de entrada da que falamos anteriormente é a voltagem. Nos días de hoxe, coa axuda de transductores, é posible converter varias cantidades físicas como corrente, presión, aceleración, etc., a voltagem, permitíndonos ter representacións visuais destas diversas cantidades nun osciloscopio de raios catódicos. Agora, vexamos os detalles de construción do osciloscopio de raios catódicos.
Construción do osciloscopio de raios catódicos
A parte principal do osciloscopio de raios catódicos é o tubo de raios catódicos, tamén coñecido como o corazón do osciloscopio de raios catódicos.
Vexamos a construción do tubo de raios catódicos para entender a construción do osciloscopio de raios catódicos. Basicamente, o tubo de raios catódicos consiste en cinco partes principais:
Cañón de electróns
Sistema de placas de desvío
Pantalla fluorescente
Envoltura de vidro
Base
Precisarás todos estes 5 componentes para construír o teu propio osciloscopio DIY. Agora discutiremos estes 5 componentes en detalle:
Cañón de electróns:
É a fonte do raio de electróns acelerado, enerxizado e focalizado. Consiste en seis partes: calentador, cátodo, grade, ánodo pre-acelerador, ánodo foco e ánodo acelerador. Para obter unha alta emisión de electróns, a capa de óxido de bario (que está depositada no extremo do cátodo) é calentada indirectamente a temperatura moderada. Os electróns, despois diso, pasan a través dun pequeno orificio chamado grade de control, feito de níquel. Como o nome indica, a grade de control, co seu sesgo negativo, controla o número de electróns ou, indirectamente, a intensidade dos electróns emitidos polo cátodo. Despois de pasar a través da grade de control, estes electróns son acelerados coa axuda dos ánodos pre-acelerador e acelerador. Os ánodos pre-acelerador e acelerador están conectados a un potencial positivo común de 1500 volts.
Agora, despois disto, a función do ánodo foco é focalizar o raio de electróns así producido. O ánodo foco está conectado a unha tensión axustable de 500 volts. Hai dous métodos para focalizar o raio de electróns, que se indican a continuación:
Focalización electrostática.
Focalización electromagnética.
Aqui discutiremos o método de focalización electrostática en detalle.
Focalización electrostática
Sabemos que a forza sobre un electrón está dada por – qE, onde q é a carga no electrón (q = 1.6 × 10-19 C), E é a intensidade do campo eléctrico e o signo negativo mostra que a dirección da forza é en dirección oposta ao campo eléctrico. Agora usaremos esta forza para desviar o raio de electróns que sae do cañón de electróns. Consideremos dous casos:
Caso Un
Neste caso, temos dúas placas A e B, como se mostra na figura.
A placa A está a un potencial +E mentres que a placa B está a un potencial –E. A dirección do campo eléctrico é da placa A á placa B, perpendicular ás superficies das placas. As superficies equipotenciais tamén se mostran no diagrama, que son perpendiculares á dirección do campo eléctrico. Ao pasar o raio de electróns a través deste sistema de placas, desvíase en dirección oposta ao campo eléctrico. O ángulo de desvío pode variarse facilmente cambiando o potencial das placas.
Caso Dous
Aquí temos dous cilindros concéntricos con un diferencial de potencial aplicado entre eles, como se mostra na figura.
A dirección resultante do campo eléctrico e as superficies equipotenciais tamén se mostran na figura. As superficies equipotenciais están marcadas por liñas punteadas, que teñen forma curva. Aquí estamos interesados en calcular o ángulo de desvío do raio de electróns cando pasa a través desta superficie equipotencial curva. Consideremos a superficie equipotencial S, como se mostra a continuación. O potencial no lado dereito da superficie é +E, mentres que o potencial no lado esquerdo da superficie é –E. Cando un raio de electróns incide a un ángulo A coa normal, desvíase por un ángulo B despois de pasar a través da superficie S, como se mostra na figura. A componente normal da velocidade do raio aumentará xa que a forza actúa na dirección normal á superficie. Isto significa que as velocidades tangentais permanecerán as mesmas, polo que, igualando as compoñentes tangentais, temos V1sin (A) = V2sin(B), onde V1 é a velocidade inicial dos electróns, V2 é a velocidade despois de pasar a través da superficie. Agora temos a relación sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Pódese ver a partir da ecuación anterior que hai un dobreo do raio de electróns despois de pasar a través da superficie equipotencial. Polo tanto, este sistema tamén chámase sistema de focalización.
Desvío electrostático
Para atopar a expresión do desvío, consideremos un sistema como o mostrado a continuación:
Neste sistema, temos dúas placas A e B que están a un potencial +E e 0, respectivamente. Estas placas tamén chámense placas de desvío. O campo producido por estas placas está na dirección do eixe y positivo e non hai forza ao longo do eixe x. Despois das placas de desvío, temos unha pantalla a través da que podemos medir o desvío neto do raio de electróns. Agora, consideremos un raio de electróns que ven ao longo do eixe x, como se mostra na figura. O raio desvíase por un ángulo A, debido á presenza do campo eléctrico, e o desvío é na dirección positiva do eixe y, como se mostra na figura. Agora, derivemos unha expresión para o desvío deste raio. Pola conservación da enerxía, temos que a perda de enerxía potencial cando o electrón se move do cátodo ao ánodo acelerador debe ser igual ao gaño de enerxía cinética do electrón. Matematicamente, podemos escribir,
Onde, e é a carga no electrón,
E é o diferencial de potencial entre as dúas placas,
m é a masa do electrón,
e v é a velocidade do electrón.
Así, eE é a perda de enerxía potencial e 1/2mv1/2 é o gaño de enerxía cinética.
Da ecuación (1) temos a velocidade v = (2eE/m)1/2.
Agora temos intensidade do campo eléctrico ao longo do eixe y é E/d, polo que a forza que actúa ao longo do eixe y está dada por F = eE/d, onde d é a separación entre as dúas placas de desvío.
Debido a esta forza, o electrón desviaráse ao longo do eixe y, e deixemos que o desvío ao longo do eixe y sexa igual a D, que está marcado na pantalla, como se mostra na figura. Debido á forza F, hai unha aceleración neta ascendente do electrón ao longo do eixe y positivo, e esta aceleración está dada por Ee/(d × m). Como a velocidade inicial ao longo do eixe y positivo é cero, pola ecuación do movemento, podemos escribir a expresión do desprazamento ao longo do eixe y como,
Como a velocidade ao longo do eixe x é constante, podemos escribir o desprazamento como,
Onde, u é a velocidade do electrón ao longo do eixe x.
Das ecuacións 2 e 3 temos,
Que é a ecuación da trayectoria do electrón. Agora, diferenciando a ecuación 4, temos a pendente, isto é,
Onde, l é a lonxitude da placa.
O desvío na pantalla pode calcularse como,
A distancia L está mostrada na figura superior. A expresión final de D pode escribirse como,
Desta expresión de desvío, calculamos a sensibilidade de desvío como,
