Дослідження коливань електричного поля за допомогою осцилографа (Лабораторна робота № 1)

Лабораторна робота

№1

“ ДОСЛІДЖЕННЯ КОЛИВАНЬ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ ЗА ДОПОМОГОЮ ОСЦИЛОГРАФА”

ДОСЛІДЖЕННЯ КОЛИВАНЬ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ ЗА ДОПОМОГОЮ ОСЦИЛОГРАФА

Мета роботи.

1.  Здобути навики практичної роботи з осцилографом та навчитися за його допомогою визначати амплітуду та частоту електричного сигналу.

2.  Дослідити фігури Лісажу.

Вступ.

Перед роботою з осцилографом та генератором звукових та ультразвукових коливань треба ознайомитися з їх технічними описами та інструкціями з експлуатації. Нижче приведені основні конструктивні елементи осцилографа та правила роботи з ним.

Електричний осцилограф служить для вимірювання параметрів електричних коливань: амплітуди, частоти, зсуву фаз між двома сигналами. Генератор електричних сигналів служить для одержання коливань потрібної частоти та амплітуди.

Головним елементом осцилографа є електронно-променева трубка (мал. 1).

Вона складається з скляної колби, у якій створено високий вакуум. Всередині колби послідовно розташовані: нагрівач 1 катод 2, керуючий електрод 3, фокусуючий анод 4, другий анод 5, горизонтально відхиляючі пластини 6, вертикально відхиляючі пластини 7, екран 8, покритий флуоресцентною речовиною. Елементи 1 - 5 утворюють електронну гармату, що дає електронний пучок. Інтенсивність електронного пучка регулюється керуючим електродом 3, фокусування пучка досягається системою електродів 3-5. Різниця потенціалів між катодом та другим анодом порядку 1-5 кВ. Потенціал фокусуючого анода 4 у кілька разів менший, ніж потенціал другого аноду 5.

Фокусуюча дія електричного поля анодів 4,5 обумовлена розподілом електричного потенціалу між ними (мал. 2). Нехай електрон влітає в зазор між анодами зліва направо під кутом до осі. За час прольоту через зазор електрон прискорюється за рахунок тангенціальної складової напруженості електричного поля , яка має під час прольоту один і той же напрямок. В той же час він відхиляється спочатку вниз, а потім вгору за рахунок дії сили  . Час прольоту першої половини зазору більший, ніж другої. Таким чином, таке поле буде фокусувати електрони до осі і його дія подібна до дії збираючих лінз.

Процес керування рухом електронних пучків за допомогою стаціонарних електричних полів вивчається електронною оптикою. Назва електронна оптика походить від подібності законів розповсюдження променів світла у прозорих речовинах та електронних пучків в електричних полях.

Під впливом електричного поля електрони рухаються так, що змінюється нормальна до еквіпотенціальної поверхні складова частина швидкості, а тангенціальна складова швидкості зберігається. Тоді у процесі переходу електрона від точки з потенціалом  до точки з потенціалом  виконується співвідношення:

,                                                                          (1)

де  - кути між відповідними векторами швидкості  та їх нормальними до еквіпотенціальних поверхонь складовими частинами . Якщо електрони починають рухатися з поверхні катода, маючи нульову кінетичну енергію, то, прискорюючись електричним полем і досягаючи еквіпотенційної лінії з потенціалом , вони одержують кінетичну енергію

.                                                               (2)

Звідси швидкість електрона . Аналогічно швидкість електрона на лінії з потенціалом  дорівнює  . Тому рівняння (1) можна переписати так

.                                                                        (3)

Таким чином в електронній оптиці роль показника рефракції виконує , а рівняння рефракції світла переходить у рівняння рефракції електронного пучка при заміні ® . При відсутності на відхиляючих пластинах сталої напруги пучок електронів попадає до центру екрану. Якщо на якусь пару відхиляючих пластин подати сталу напругу, то відхилення пучка електронів від центру екрана буде пропорційне величині напруги. Таким чином можна знаходити величину сталої напруги. При змінній напрузі на екрані буде видно подвоєне значення амплітуди коливань. Найчастіше на вертикально відхиляючі пластини (вхід ) подається досліджуваний сигнал. Одночасно електронний промінь відхиляється в горизонтальному напрямку (вхід ) зі сталою швидкістю за допомогою напруги, що лінійно змінюється в часі. Ця напруга має форму пилки і утворюється генератором розгортки. Для отримання нерухомого зображення досліджуваного сигналу на екрані осцилографа використовують процес синхронізації, який полягає в тому, що генератор розгортки запускається через ціле число періодів досліджуваного сигналу.

Спрощена блок-схема осцилографа зображена на мал. 3. На ній зображені: 1 - підсилювач напруги вертикального відхилення, 2 - підсилювач напруги горизонтального відхилення, 3 - генератор розгортки у формі пилки, 4 - електронно-променева трубка.

Подаючи на обидві пари відхиляючих пластин гармонічні напруги, можна спостерігати на екрані їх суму. При цьому проекції напруги мають значення:

                                                        (4)

Якщо ,  або , то на екрані буде пряма, нахил якої буде визначатися співвідношенням амплітуд  та .