32
Электронный
глаз
Кандидат педагогических наук
В. С. ДАНЮШЕНКОВ
Наверное, многое из вас в кабинете физики образили внимание на прибор, пожожий на телевизор с маленьким круглым экраном. Когда он работает, по его экрану «бегают» различные светящиеся линии. Этот прибор называют осциллограмом. Он служит для записи на экране быстро протекающих и невидимых для человекаского глаза физических процессов. Тем самым прибор расширяет возможность нашего восприятия при познании явлений природы. За эту особенность осциллограмф часто называют «электронным глазом».
Главное — это трубка
Основной элемент осциллографа — электронолучевая (или просто «электронная») трубка. Она представляет собой стеклянный баллон специальной формы, из которого выкачан почти весь воздух. Внутри баллона располагаются «электронная пушка» для получения электронного лучи и механизм для управления этим лучом (рисунок 1). О том, как работает трубка, мы рассскажем позже. А сначала — немного истории.
Прототипом современной электронной трубки была газоразрядная трубка, с помощью которого английин У. Крукс изучал процессы прохождения электрического тока через разреженные газы. Трубка представляет собой стеклянный баллон с влаяными в него электродами; баллон подсоединяется к насосу, откачиващему из него воздуха. Крукс обнаружил, что когда электроды были подсоединены к источнику напряжения, внутри трубки появлялись неизвестные лучи.
Спустя 25 лет французский физик Ж. Перрен доказал, что эти лучи представляют собой поток отрицательного заряженных частиц, источником которых является packленная поверхность отрицательного электрода — катода. Перрен помещил перед
Электронная пушка
Откклочие пластмы
Экран
Рис. 1.
33
катодом полый металлический цилиндр, который соединялся с электросоком (рисунок 2). Когда на электроды было подано напряжение, лепестки электросока зарядились и разошлись. При поднесении к электросоку положительно заряженной стеклянной палочки лепестки возврались в исходное положение. Следовательно, на цилиндре при работе трубки скалпивался отрицательный заряд. Перен поднес к трубке магнит так, что он находился против свободного пространства между катодом и полым цилиндром. При этом электросокоп не заряжался. Значит, отрицательно заряженные частицы, которые в отсутствие магнита попадали на цилиндр, вылетали с катода. Магнитное поле отклоняло эти частицы на стенку трубки. В этом опыте впервые было осуществлено магнитное управление потоком заряженных частиц.
Вы можете увидеть действие магнитного поля на поток электронов, поднеся магнит к телевизору сбоку. Изображение на экране будет смещаться вверх или вниз в зависимости от того, каким полосом вы подносите магнит.
В 1897 году немецкий физик К. Браун создал лучевую трубку с магнитным управлением, по форме
Рис. 2.
похожую на современную электронную трубку.
В том же году английский физик Дж. Дж. Томсон с помощью этой трубки показал, что лучи, вылетующие с катода, представляют собой поток электронов. В своей эксперименте Томсон впервые электрический способ управления потоком электронов. Поместив перед катодом две параллельные пластины, подсоединенные к полюсам электрической батареи, он увидел, что лучи, попадающие в электрическое поле между пластинами, отклоняются от своего первогоначального пути.
Увидеть, как действует электрическое поле на заряженные частицы, вы можете, продолжав такой опит. Берете две аломинические пластины или крышки от кастрюль с изолированными руками и укрепляете их параллельно друг друга.
Из файла делаете крульный шарик (или гильзу) и прикрепляет к ней нитку. Затем берете эбонитоую палочки и натираете ее кусочком шелка; при этом палочка электризуется отрицательно. Сначала легким прикосновением палочки заряжаете шарик, а потом odну из пластин. Затем натираете палочки листком бумаги. В этом случае она электризуется положительно. Заряжаете палочки вторую пластину. Тенерь все готово к опыту. Шарик на нитке опустите между пластинами. Вы увидите, что шарик отклоняется в стороны полосительного заряженной пластины.
Аналогичным образом действует электрическое поле на электроны в электроннойлучевой трубке. При движении между управляющими пластнами весь поток электронов отклоняется от первогоначального пути
34
в сторону пластины, подсоединенной к положительной полюсу батареи.
Пушка, стреляющая электронами
Мы уже сказали, что источником электронов в трубке является отрицательное заряженный электрод — катод. В любом проводнике имеется огромное количество электронов, которые находятся в постоянном движении. Большинство электронов движется с почти одинаковыми по абсолотной величины скорости. Но есть электроны, скорость которых значительно больше средней скорости. Такие электроны, оказываись зблизи поверхности проводника, могут «провраться» сквозь поверхность, «испариться» (эта ситуация аналогична процессу испарения жидкости). При комнатных температуре доля этих электронов ничего не оказывает. Испарение электронов с поверхности накаленного проводника идет очень интенсивно.
Катод электронной трубки (тоенький проводник) разогревают докрасна, пропуская через него электрический ток, и с поверхности катода испарются электроны.
Убедиться в том, что с нагретою проводника испарится электроны, можно с помощью несложного опыта. Для опыта нужна лампа накаливания, листок фольги и электросокон. Электронный мощте сделать сами. Для этого возьмите бутылку и подберите к ней пробку (лучше всего резиновую; можно сделать пробку из ластika). Через пробку пропустите достаточно длинный звездь; к острому концу звездя прикрепите лепестки из папиросной бумаги. Закройте бутылку пробкой так, чтобы лепестки были внутри бутылки. Электросокон готов.
Из фольги вырежьте полоску и оберните ее плотно вокруг колбы ламры накапливания. Tonким проводком соедините фольгу с электросоком.
Теперь зарядите электросокон положительно (например, с помощью стеклянной палочки, потертою о щелк) и включите лампу в свет. Вы увидите, что лепестки электросока опадают.
Фольга, соединенная с электросоком, имеет положительный заряд. Электроны, испарющиеся из нити накала лампы, пригиваются этим зарядом, оседают на колбе лампы и заряжают ее внутреннюю поверхность отрицательно. Этот отрицательный заряд и нейтрализует положительный заряд фольги и, следовательно, электросока.
Как собрать все «испарящиеся» с катода электроны в тонкий луч?
Напротив катода помещен второй электрод — аод. Как правило, он имеет форму диска. Между катодом и аодом создают большое напряжение (от нескольких сотен до нескольких тысячvolt). Электрическое поле между электродами направляется электроны, вылетящие с поверхности катода, на аод и разгоняет их до очень большей скорости. А чтобы собрать эти электроны в тонкий луч, делают следующее.
На катод одевают металлический «рубашку» — цилиндрический стакан с маленьким отверстием в дне. Ей сообщают отрицательный заряд. Этот заряд скнимает вылетящие с поверхности металла электроны к оси «рубашки»-стакана, так что большая часть электронов вылетает из «рубашки» через маленькое отверстие. Меняя заряд на «рубашке», можно регулировать число вылетующих из нее электронов. Благодаря этому свойству металлический «рубашку» называют управляющим электродом. Узкий пучок электронов, вылетших из управляющего электрода, направляется на аод и проходит через узкое отверстие в нем.