Опыт, страница 323 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

С помощью учителя изучите работу электронно-лучевой трубки осциллографа.

Решение

Устройство и назначение электронно-лучевой трубки (ЭЛТ)
Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) — это вакуумный электронный прибор, предназначенный для преобразования электрических сигналов в видимое изображение. Она является основным компонентом аналоговых осциллографов, а также старых телевизоров и мониторов. ЭЛТ представляет собой вытянутую стеклянную колбу, в которой создан глубокий вакуум, чтобы электроны могли двигаться без столкновений с молекулами газов. Внутри колбы расположены три основные системы: электронная пушка, отклоняющая система и флуоресцентный экран.

Ответ: ЭЛТ — это вакуумный прибор, который создает пучок электронов и с его помощью рисует изображение электрического сигнала на светящемся экране.

Электронная пушка: создание и формирование луча
Электронная пушка, расположенная в узкой части (горловине) трубки, служит для генерации и формирования узкого, сфокусированного пучка электронов. Она состоит из нескольких элементов:
1. Катод: При нагревании нитью накала он испускает электроны (явление термоэлектронной эмиссии).
2. Управляющий электрод (модулятор): Цилиндр с отверстием, окружающий катод. На него подается отрицательное напряжение относительно катода. Изменяя это напряжение (ручкой «Яркость» на осциллографе), можно регулировать количество электронов в пучке, а следовательно, и яркость светящейся точки на экране.
3. Система анодов: Несколько цилиндрических анодов, на которые подается высокое положительное напряжение. Первый анод (фокусирующий) вместе со вторым (ускоряющим) создают электростатическое поле сложной конфигурации. Это поле работает как электронная линза (управляется ручкой «Фокус»), собирая электроны в тонкий луч. Ускоряющий анод сообщает электронам большую кинетическую энергию $K = e \cdot U_a$, где $\text{e}$ — заряд электрона, а $U_a$ — ускоряющее напряжение, достигающее нескольких киловольт.

Ответ: Электронная пушка создает, фокусирует и ускоряет пучок электронов для формирования яркого и четкого пятна на экране.

Отклоняющая система: управление лучом
После выхода из электронной пушки сфокусированный луч проходит через отклоняющую систему, которая управляет его положением на экране. В осциллографах используется электростатическая система отклонения, состоящая из двух пар взаимно перпендикулярных металлических пластин:
1. Вертикально-отклоняющие пластины (Y-пластины): Расположены горизонтально. Исследуемый сигнал (после усиления) подается на эти пластины. Возникающее между ними электрическое поле $E_y$ создает вертикальную силу $F_y = e \cdot E_y$, которая отклоняет луч вверх или вниз пропорционально напряжению сигнала в данный момент времени.
2. Горизонтально-отклоняющие пластины (X-пластины): Расположены вертикально. На них подается пилообразное напряжение от генератора развертки осциллографа. Это напряжение заставляет луч равномерно двигаться по горизонтали слева направо, а затем очень быстро возвращаться в исходное положение. Таким образом создается ось времени.

Ответ: Отклоняющая система, состоящая из двух пар пластин, смещает электронный луч по вертикали в соответствии с исследуемым сигналом и по горизонтали с постоянной скоростью для создания временной развертки.

Флуоресцентный экран: визуализация сигнала
Экран — это внутренняя поверхность широкой части ЭЛТ, покрытая тонким слоем специального вещества — люминофора. Когда ускоренные электроны с высокой энергией ударяются об экран, люминофор начинает светиться (явление флуоресценции). Цвет свечения (чаще всего зеленый или синий) зависит от типа люминофора. Важным свойством люминофора является послесвечение — способность продолжать светиться некоторое время после прекращения бомбардировки электронами. Это позволяет человеческому глазу воспринимать след быстро движущегося электронного луча как сплошную линию, даже если сигнал очень быстро меняется. Внутренняя поверхность конической части трубки покрыта проводящим слоем (аквадагом), который соединен с ускоряющим анодом и служит для сбора вторичных электронов, выбитых с экрана, и для поддержания равномерного электрического поля.

Ответ: Экран, покрытый люминофором, преобразует кинетическую энергию электронов в световое излучение, делая траекторию луча видимой.

Синтез работы: как осциллограф рисует график
Совместная работа всех частей ЭЛТ позволяет получить на экране осциллографа график зависимости напряжения от времени $U(t)$.
1. Электронная пушка создает непрерывный и сфокусированный поток электронов, направленный в центр экрана.
2. Генератор развертки осциллографа создает пилообразное напряжение, которое подается на X-пластины. Это заставляет электронный луч циклически пробегать по экрану горизонтально с постоянной скоростью (например, 1 см за 1 миллисекунду), формируя ось времени.
3. В это же время исследуемый сигнал подается на Y-пластины, заставляя луч отклоняться по вертикали пропорционально значению напряжения в каждый момент времени.
4. В результате сложения этих двух движений (горизонтальной развертки и вертикального отклонения) электронный луч вычерчивает на экране траекторию, которая в точности повторяет форму исследуемого сигнала во времени. Благодаря послесвечению экрана и инерционности человеческого зрения мы видим эту траекторию как цельный, устойчивый график.

Ответ: Совместное действие горизонтальной развертки (ось времени) и вертикального отклонения (ось напряжения) заставляет электронный луч рисовать на экране видимый график зависимости напряжения сигнала от времени.