Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Учебное пособие

Казань Издательство КНИТУ

2017

1

УДК 531075.81

ББК 53:35.71я7

И88

Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Ф. Х. Тазюков канд. техн. наук,доц. А. Ш. Мухтаров

Авторы: В. П. Архипов, Р. Х. Зиятдинов, Е. С. Нефедьев, А. В.

И88 Репина

Исследование электрических колебаний с помощью электронного осциллографа : учебное пособие / В. П. Архипов [и др.]; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ,

2017. – 92 с.

ISBN 978-5-7882-2237-0

Учебное пособие является обобщением целого ряда лабораторных работ по изучению электромагнитных колебаний и предназначено для самостоятельной подготовки к выполнению лабораторных работ и обработке результатов измерений. Внимание обучающихся обращается на физические основы процессов, связанных с электромагнитными колебаниями, а также на методику изучения электрических переменных процессов.

Предназначено для обучающихся 1–2 курсов всех направлений подготовки механического и технологического профиля, изучающих дисциплину «Физика».

Подготовлено на кафедре физики.

2

ВВЕДЕНИЕ

Название осциллографа происходит от лат. oscillum – качание, колебание и греч. grapho – пишу.

История создания электронного осциллографа начинается в 1855 г., когда немецкий физик и стеклодув Генрих Гейслер создает

так называемую трубку Гейслера – вакуумированный стеклянный сосуд с двумя электродами. При пропускании тока наблюдалось свечение остаточного газа в трубке. Трубка Гейслера лежит в основе раб о- ты современных газоразрядных ламп – неоновых ламп, ламп дневного света.

Изучение прохождения электричества через газы привело к открытию катодных лучей. Приблизительно в 1875 г. английский физик Уильям Крукс при помощи усовершенствованного насоса достиг еще большего разрежения внутри трубки и обнаружил, что светятся теперь ее стенки. Крукс считал, что это свечение вызвано электрическим током, который движется от отрицательно заряженного электро-

да – катода – к положительному электроду – аноду, где ударяется об окружающее его стекло и вызывает свечение.

Так как электрон к тому моменту открыт еще не был, считалось, что ток распространяется в виде лучей, которые в 1876 г. немецкий физик Ойген Гольдштейн назвал катодными.

Исследование катодных лучей привело к открытию электрона Дж. Дж. Томсоном* в 1897 г. и рентгеновских лучей – немецким физиком В. К. Рентгеном** в 1895 г.

Термин «электрон» был предложен ирландским физиком Джорджем Стонеем в 1891 г. В буквальном переводе с греческого языка на русский слово «электрон» означает «янтарный». Стоней еще в 1874 г. указал на существование элементарного электрического заряда и вычислил его величину.

В 1895 г. французский физик Жан Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи – это поток отрицательно заряженных час-

*Сэр Джозеф Джон Томсон – английский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 г. за теоретические и экспериментальные исследования прохождения электричества через газы.

**Вильгельм Конрад Рентген – первый из физиков, ставший лауреатом Нобелевской премии по физике (1901 г.) за открытие Х-лучей (рентгеновских лучей).

3

тиц. Изучая отклонения катодных лучей в электрических и магнитных полях, Дж. Дж. Томсон доказал существование электрона.

В 1893 г. французский физик и инженер Андре Блондель изобретает электромеханический осциллограф с бифилярным подвесом (рис. 1).

.

Рис. 1. Принцип работы электромеханического (шлейфового), светолучевого осциллографа Блонделя

Между полюсами электромагнита этого прибора натянута в виде петли (шлейфа) тонкая проволока, к которой прикреплено маленькое зеркальце З. Луч света от осветительного устройства О, отражаясь от зеркальца, попадает на экран Э. При пропускании тока (контакты а, в) через петлю (шлейф) появляется электромагнитное взаимодействие тока в петле с магнитным полем магнита. Петля вместе с зеркальцем поворачивается на некоторый угол, смещается и световое пятно на экране. Для получения зависимости тока от времени необходимо обеспечить перемещение экрана в направлении, перпендикулярном к смещению светового пятна.

4

В 1885 г. физик Роберт Андреевич Колли из Казани создает прототип светолучевых (шлейфовых) осциллографов – осциллометр. Однако светолучевые осциллографы не позволяли исследовать быстропеременные процессы вследствие недостаточной скорости развертки луча (во времени).

Наконец немецкий физик и изобретатель Карл Фердинанд Браун в 1897 г. разрабатывает принцип формирования изображения с помощью электронно-лучевой трубки, впоследствии названной трубкой Брауна (рис. 2).

K C D

Рис. 2. Трубка Брауна:

К– холодный (неподогревный) катод; А – анод; D – экран;

С– диафрагма с небольшим отверстием для формирования луча

Втрубке Брауна отклонение луча по вертикали осуществлялось

спомощью магнитного поля, отклонение по горизонтали (развертка сигнала по времени) осуществлялось с помощью вращающегося зеркала Кенига.

Трубки с магнитным управлением лучом позже получили название кинескопов. К. Ф. Браун (вместе с Гульельмо Маркони) в 1909 г. стали лауреатами Нобелевской премии по физике с формулировкой «За выдающийся вклад в создание беспроволочной телеграфии».

Браун не патентовал свое изобретение и демонстрировал его на всевозможных выставках и семинарах. В результате работу оценило множество ученых, которые в дальнейшем вложили свой вклад в развитие и совершенствование электронно-лучевых трубок.

Магнитное отклонение луча не позволяло исследовать быстропеременные процессы, поэтому был разработан электростатический метод. В 1899 г. ассистент Брауна – И. Ценнек – ввел электромагнитную развертку для замены зеркала Кенига. В 1907 г. другой ассистент

5

Брауна – россиянин Л. И. Мандельштам – разработал метод и схему получения пилообразного тока для линейной развертки осциллограммы по оси времени.

Холодный катод был заменен горячим, тем самым автоэлектронная эмиссия* заменялась на термоэлектронную** (1911 г.).

Эти и другие нововведения существенно расширили возможности осциллографа, а также сделали его использование более удобным. Электронно-лучевые трубки оказались незаменимыми в различных приборах, таких как осциллографы, позволяющих исследовать быстропротекающие процессы. Но этим область их применения не ограничивалась. Возможность формирования изображения с помощью электронно-лучевых трубок заинтересовала множество ученых во всем мире, и вскоре стали появляться все более и более совершенные устройства.

Вданном пособии рассматриваются базовые принципы работы

иосновные узлы электронного осциллографа, описываются методы измерения амплитудных и временных параметров электрических сигналов с помощью электронного осциллографа. Также рассматривается применение осциллографа для исследования колебательных процессов.

Теоретический материал подкрепляется проведением экспериментальных лабораторных работ.

*Автоэлектронная эмиссия – испускание электронов проводящими твердыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля достаточно высокой напряженности (Е ~ 10 В/см).

**Термоэлектронная эмиссия – явление вырывания электронов из металлов при высокой температуре.

6