Osciloscópio de Raios Catódicos | CRO

O que é um Osciloscópio de Raios Catódicos?

Um Osciloscópio de Raios Catódicos (ORC) é um instrumento geralmente usado em laboratórios para exibir, medir e analisar várias formas de onda de circuitos elétricos. Um osciloscópio de raios catódicos é um plotter X-Y muito rápido que pode exibir um sinal de entrada em relação ao tempo ou a outro sinal.

Os osciloscópios de raios catódicos usam pontos luminosos produzidos pelo feixe de elétrons, e esse ponto luminoso se move em resposta à variação na quantidade de entrada. Neste momento, uma pergunta deve surgir em nossa mente: por que estamos usando apenas um feixe de elétrons? A razão por trás disso é o baixo efeito do feixe de elétrons, que pode ser usado para acompanhar as mudanças nos valores instantâneos de uma quantidade de entrada que muda rapidamente. As formas gerais de osciloscópios de raios catódicos operam com voltagens.

Portanto, a quantidade de entrada que mencionamos acima é a voltagem. Hoje em dia, com a ajuda de transdutores, é possível converter várias grandezas físicas, como corrente, pressão, aceleração, etc., em voltagem, permitindo-nos ter representações visuais dessas várias grandezas no osciloscópio de raios catódicos. Agora, vamos examinar os detalhes construtivos do osciloscópio de raios catódicos.

Construção do Osciloscópio de Raios Catódicos

A parte principal do osciloscópio de raios catódicos é o tubo de raios catódicos, também conhecido como o coração do osciloscópio de raios catódicos.

Vamos discutir a construção do tubo de raios catódicos para entender a construção do osciloscópio de raios catódicos. Basicamente, o tubo de raios catódicos consiste em cinco partes principais:

1. Canhão de elétrons

2. Sistema de placas de desvio

3. Tela fluorescente

4. Envelope de vidro

5. Base

Você precisará de todos esses 5 componentes para construir seu próprio osciloscópio DIY. Vamos agora discutir esses 5 componentes em detalhes:

Canhão de Elétrons:
É a fonte do feixe de elétrons acelerado, energizado e focalizado. Consiste em seis partes, nomeadamente, aquecedor, cátodo, grade, ânodo pré-acelerador, ânodo focador e ânodo acelerador. Para obter a alta emissão de elétrons, a camada de óxido de bário (que é depositada na extremidade do cátodo) é aquecida indiretamente a uma temperatura moderada. Os elétrons, após isso, passam por um pequeno orifício chamado grade de controle, que é feito de níquel. Como o nome sugere, a grade de controle, com sua polarização negativa, controla o número de elétrons ou, indiretamente, a intensidade dos elétrons emitidos pelo cátodo. Após passar pela grade de controle, esses elétrons são acelerados com a ajuda dos ânodos pré-acelerador e acelerador. Os ânodos pré-acelerador e acelerador estão conectados a um potencial positivo comum de 1500 volts.

Agora, após isso, a função do ânodo focador é focar o feixe de elétrons produzido. O ânodo focador está conectado a uma tensão ajustável de 500 volts. Existem dois métodos de focagem do feixe de elétrons, descritos abaixo:

1. Focagem eletrostática.

2. Focagem eletromagnética.

Aqui, discutiremos o método de focagem eletrostática em detalhes.

Focagem Eletrostática
Sabemos que a força sobre um elétron é dada por – qE, onde q é a carga no elétron (q = 1,6 × 10-19 C), E é a intensidade do campo elétrico e o sinal negativo mostra que a direção da força é oposta à do campo elétrico. Agora, usaremos essa força para desviar o feixe de elétrons que sai do canhão de elétrons. Consideremos dois casos:

Caso Um
Neste caso, temos duas placas A e B, conforme mostrado na figura.

A placa A está em potencial +E, enquanto a placa B está em potencial –E. A direção do campo elétrico é da placa A para a placa B, perpendicular às superfícies das placas. As superfícies equipotenciais também são mostradas no diagrama, que são perpendiculares à direção do campo elétrico. À medida que o feixe de elétrons passa através deste sistema de placas, ele se desvia na direção oposta ao campo elétrico. O ângulo de desvio pode ser facilmente variado alterando o potencial das placas.

Caso Dois
Aqui, temos dois cilindros concêntricos com uma diferença de potencial aplicada entre eles, conforme mostrado na figura.

A direção resultante do campo elétrico e as superfícies equipotenciais também são mostradas na figura. As superfícies equipotenciais são marcadas por linhas pontilhadas, que têm forma curva. Aqui, estamos interessados em calcular o ângulo de desvio do feixe de elétrons quando ele passa por esta superfície equipotencial curva. Consideremos a superfície equipotencial S, conforme mostrado abaixo. O potencial no lado direito da superfície é +E, enquanto o potencial no lado esquerdo da superfície é –E. Quando um feixe de elétrons incide no ângulo A em relação à normal, ele se desvia pelo ângulo B após passar pela superfície S, conforme mostrado na figura abaixo. A componente normal da velocidade do feixe aumentará, pois a força atua na direção normal à superfície. Isso significa que as velocidades tangenciais permanecerão as mesmas, então, igualando as componentes tangenciais, temos V1sen(A) = V2sen(B), onde V1 é a velocidade inicial dos elétrons, V2 é a velocidade após passar pela superfície. Agora, temos a relação sen(A)/sen(B)=V2 / V1.
Podemos ver, a partir da equação acima, que há dobramento do feixe de elétrons após passar pela superfície equipotencial. Portanto, este sistema também é chamado de sistema de focagem.

Desvio Eletrostático
Para encontrar a expressão para o desvio, consideremos um sistema conforme mostrado abaixo:


No sistema acima, temos duas placas A e B, que estão em potencial +E e 0, respectivamente. Essas placas também são chamadas de placas de desvio. O campo produzido por essas placas está na direção do eixo y positivo e não há força ao longo do eixo x. Após as placas de desvio, temos a tela através da qual podemos medir o desvio líquido do feixe de elétrons. Agora, consideremos um feixe de elétrons vindo ao longo do eixo x, conforme mostrado na figura. O feixe se desvia pelo ângulo A, devido à presença do campo elétrico, e o desvio é na direção positiva do eixo y, conforme mostrado na figura. Agora, vamos derivar uma expressão para o desvio deste feixe. Pela conservação de energia, temos a perda de energia potencial quando o elétron se move do cátodo para o ânodo acelerador deve ser igual ao ganho de energia cinética do elétron. Matematicamente, podemos escrever,

Onde, e é a carga no elétron,
E é a diferença de potencial entre as duas placas,
m é a massa do elétron,
e v é a velocidade do elétron.
Assim, eE é a perda de energia potencial e 1/2mv1/2 é o ganho de energia cinética.
Da equação (1), temos a velocidade v = (2eE/m)1/2.
Agora, temos a intensidade do campo elétrico ao longo do eixo y é E/d, portanto, a força atuando ao longo do eixo y é dada por F = eE/d, onde d é a separação entre as duas placas de desvio.
Devido a essa força, o elétron se desviará ao longo do eixo y, e o desvio ao longo do eixo y seja igual a D, que é marcado na tela, conforme mostrado na figura. Devido à força F, há uma aceleração líquida para cima do elétron ao longo do eixo y positivo, e essa aceleração é dada por Ee/(d × m). Como a velocidade inicial ao longo do eixo y positivo é zero, então, pela equação do movimento, podemos escrever a expressão do deslocamento ao longo do eixo y como,

Como a velocidade ao longo do eixo x é constante, podemos escrever o deslocamento como,

Onde, u é a velocidade do elétron ao longo do eixo x.
Das equações 2 e 3, temos,

Que é a equação da trajetória do elétron. Agora, diferenciando a equação 4, temos a inclinação, isto é,

Onde, l é o comprimento da placa.
O desvio na tela pode ser calculado como,

A distância L está mostrada na figura acima. A expressão final de D pode ser escrita como,

Da expressão de desvio, podemos calcular a sensibilidade de desvio como,

Graticule: Estes são as grades de linhas cuja função é servir como escala quando o