Литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – 478с.

2. Кортнев А.В. Практикум по физике. /Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Кузнецов А.М.: – М: Высшая школа, 1963. – 516с.

3. Конспект лекции.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Изучение работы электронного осциллографа

Цель работы: 1.Познакомиться с устройством и работой осциллографа.

2.Исследовать фигуры Лиссажу в зависимости от частоты складываемых колебаний.

Приборы и принадлежности: Электронный осциллограф С1–68, вольтметр переменного тока, генератор сигналов низкочастотный Г3–109, автотрансформатор, реостат.

Краткая теория

Устройство и работа электронного осциллографа

Основной частью осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). ЭЛТ состоит из стеклянного болона, из которого выкачан воздух до давления порядка 10^-8мм.рт.ст. рис.1.

рис.1

Источником электронов служит катод 2, подогреваемый спиралью 1. Фокусирующий цилиндр 3, регулирует количество вылетающих в единицу времени электронов, то есть яркость пятна на экране. Потенциал фокусирующего цилиндра отрицательный, его иначе называют управляющим электродом. Аноды 4 и 5 ускоряют и фокусируют электроны, концентрируют их в узкий пучок. Подогреватель 1, катод 2, фокусирующий цилиндр 3 и оба анода 4 и 5 образуют так называемую электронную пушку, а фокусирующий цилиндр 3 и система анодов 4 и 5 фокусирующую систему. Выходя из второго анода, электронный пучок проходит между двумя парами пластин 6 и 7 – это вертикально и горизонтально отклоняющие пластины. Между катодом и первым анодом приложено напряжение порядка 10³ В, электроны ускоряются. Второй анод имеет потенциал выше первого и фокусирует электроны. Между катодом и вторым анодом напряжение составляет 2…5 кВ. Пусть разность потенциалов между катодом и вторым анодом U. Работа совершаемая, силами электрического поля по перемещению электрона между катодом и анодом равна:

Эта работа идёт на сообщение электрону кинетической энергии.

Из формулы следует, что электронно–лучевая трубка является практически безынерционным прибором, т.е. электроны практически мгновенно достигают экрана 8. Флюоресцирующий экран 8 светится, и мы видим место падения электронов.

Рассмотрим действие отклоняющих пластин. Пусть электрон со скоростью влетает в поле вертикально отклоняющих пластин (рис.2). Поле однородно и электрон движется перпендикулярно к линиям напряжённости поля.– напряжение вертикально отклоняющих пластин. Луч сместиться от первоначального положения, т.к. электроны будут притягиваться к пластине заряженной «+» и отталкиваться от пластины заряженной “–”.

рис.2

Обозначив через y – величину смещения луча, получим величину – называемую чувствительность трубки к напряжению. Она показывает величину отклонения луча на экране при разности потенциалов на пластинах в 1В.

Рассчитаем зависимость чувствительности от параметров трубки.

Обозначим:

L – длина пластин;

d – расстояние между пластинами;

Z – расстояние от конца пластин до экрана;

U – разность потенциалов между катодом и вторым анодом;

U_y – разность потенциалов отклоняющих пластин.

Электрон вдоль оси Х движется равномерно со скоростью .

Движение электрона вдоль оси Х равноускоренное. Ускорение электрона можно найти, используя второй закон Ньютона.

,

где e – заряд электрона;

m – масса электрона.

Смещение при выходе из области пластин равно

,

где t₁ – время движения электрона в поле отклоняющих пластин

В итоге имеем

Полное отклонение _,

где – время пролёта электрона на расстояние Z;

–скорость, которую электрон приобретает при вылете из пространства между пластинами.

В итоге имеем, что

Полное отклонение

Чувствительность

Из формулы следует, что чувствительность зависит от длины пластин, расстояния до экрана и напряжения на втором аноде. Вывод чувствительности сделан при упрощающих предположениях. Практически пластины в ЭЛТ не параллельны, а изогнуты, чтобы уменьшить краевые эффекты. Для исследования напряжений, изменяющихся во времени, используют обе пары отклоняющих пластин. На вертикально отклоняющие пластины обычно подаётся исследуемое напряжение, а на вторую пару пластин вырабатывающееся в самом осциллографе напряжение, изменяющееся пропорционально времени, так называемое напряжение “развертки”. Для изучения повторяющихся процессов на горизонтально отклоняющие пластины подают периодическое напряжение, изменяющееся так, что луч смещается слева направо пропорционально времени, а, дойдя до правого края экрана, быстро возвращается назад, после чего процесс повторяется. Такое напряжение называют пилообразным.

Для улучшения линейности пилообразное напряжение делают симметричным относительно нуля, и при выключенной развёртке луч находиться в центре экрана. Для выработки пилообразного напряжения необходим специальный генератор развёртки. Работа генератора развёртки основана на зарядке и разрядке конденсатора. Подключив конденсатор, через сопротивление к источнику постоянного напряжения мы получим постоянное нарастание напряжения на обкладках, причём ток и напряжение на конденсаторе связаны уравнением:

где: C – ёмкость конденсатора.

Для получения неподвижного изображения на экране необходимо, чтобы в периоде генератора развёртки укладывалось целое число периодов исследуемого процесса, иначе картинка будет подвижной.

рис.3