8 Osiloskop

8 Osiloskop
Deneyin amacı
Osiloskobun ve CRT ekranların çalışma prensibini öğrenmek.
Genel bilgiler
Osiloskobun çalışma prensibi
! elektrik alanının etkisi altında ise
Eğer q yükü taşıyan bir parçacık E
! = qE
!
F
(8.1)
ile verilen bir kuvvete maruz kalır. Yukarıdaki denkleme göre elektriksel kuvvet elektrik alan doğrultusundadır. Eğer q yükü pozitif ise kuvvet alan ile aynı yönde, q yükü negatifse kuvvet alan ile zıt yön! manyetik alanı varsa parçacık
dedir. Eğer q yüklü parçacık v! hızı ile hareket ediyorsa ve ortamda bir B
aynı zamanda
! = q!
!
F
v×B
(8.2)
ile verilen ve Lorentz kuvveti olarak bilinen bir kuvvetin de etkisi altında olacaktır. Lorentz kuvveti
hız ile manyetik alanın vektörel çarpımı olduğu için yönü sağ el kuralı yardımı ile bulunabilir. Bu
kurala göre sağ elimizin dört parmağını hız yönünde uzatır ve bunları manyetik alana doğru kıvırırsak
! vektörünün yönünü gösterecektir. Eğer q yükü pozitif ise Lorentz kuvveti baş
başparmağımız v! × B
parmağımızın gösterdiği yöndedir. Öte yandan q yükü negatifse kuvvet başparmağımızın gösterdiği
yönün tersi yöndedir.
Şekil 8.1: Osiloskopta elektrik alan (yukarıdan görünüş).
Osiloskop bir elektron demetinin elektrik ve manyetik alanlarda yukarıda bahsedilen kuvvetlerin
etkisi altinda saptırılması prensibine dayanan bir alettir. Osiloskoplar hem çeşitli bilimsel ölçümlerde
hem de CRT (catode ray tube) görüntüleme teknolojisinde kullanılırlar. CRT teknolojisini eski bilgisayar
ekranlarında ve "tüplü televizyon" diye bilinen eski televizyonlarda görebilirsiniz.
56
Osiloskobun basitleştirilmiş bir modelini (8.1) numaralı şekilde görmekteyiz. Negatif olarak yüklenmiş bir elektron kaynağının ısıtılması ile elde edilen elektronlar tam karşıda bulunan pozitif yüklü
levhaya doğru Vh potansiyel farkı altında hızlandırılırlar ve levhanın ortasındaki bir delikten diğer tarafa geçerler. Levhanın arkasında elektrik alan sıfır olduğu için bu noktadan sonra saptırıcı levhalara
ulaşıncaya kadar hızları sabit kalacaktır.
Saptırıcı levhalara ulaştıklarında elektronlar bu defa hızlarına dik yöndeki bir elektrik alanın etkisinde kalarak yollarından sapacaklar ve şekilde görülen ekrana çarpacaklardır. Bu ekran floresans özelliği gösteren bir madde ile kaplanmıştır. Bu nedenle elektron demetinin çarptığı noktadan yeşil bir ışık
yayımlanır. (8.1) numaralı şekilde osiloskobu yukarıdan görmekteyiz. Buna göre, ekranın diğer tarafından bakan gözlemcinin bakış açısından elektronlar sola doğru sapmaktadırlar. Bu durumda ekrana
bakan gözlemci (8.2) numaralı şekildeki gibi bir nokta görecektir. İşte bu CRT ekranlarda elektriksel
sinyallerin görüntüye dönüştürülmesi teknolojisinin temelidir.
Sabit elektrik alan:
Şekil 8.2: Sabit elektrik alan
Şekil 8.3: Zamanla değişen saptırıcı potansiyel (testere potansiyeli) tarafından oluşturulan değişken
elektrik alan
Eğer Vs potansiyelinin işaretini değiştirirsek elektrik alanın yönünü de değiştirmiş oluruz. Bu durumda elektronlar artık sol tarafa değil sağ tarafa doğru sapacaklardır. Bu deneyde saptırıcı potansiyeli zamanla periyodik olarak (8.3) numaralı şekilde görüldüğü gibi değiştireceğiz. Zamanla bu şekilde
değişen bir potansiyele, şeklinden ötürü “testere potansiyeli” diyoruz. Bu durumda ekrana bakan bir
gözlemci ne görecektir? Tahmininizi (8.3) numaralı şekil üzerine çiziniz. Şimdi elektrik alana paralel
57
bir manyetik alan oluşturduğumuzu düşünelim. Bunu (8.4) numaralı şekilde görüldüğü gibi bir bobin
yardımıyla yapabiliriz. Bu bobinin oluşturduğu alan esasında düzgün değil şekilde görüldüğü gibi saçaklı bir alan olacaktır. Ama siz bu alanın elektrik alana paralel düzgün bir alan olduğunu varsayınız.
Böyle bir manyetik alan elektronları (gözlemciye göre) hangi yönde saptırır? (8.2) numaralı denklemi
Şekil 8.4: Osiloskopta elektrik ve manyetik alan (yukarıdan görünüş).
gözönüne alarak yanıt veriniz.
.............................
(8.3)
Şimdi saptırıcı elektriksel potansiyel (8.2) numaralı şekildeki gibi sabitken bobini (8.4) numaralı
şekilde görüldüğü gibi yerleştirerek gösterilen yönde sabit bir manyetik alan oluşturduğumuzu düşünelim. Bu durumda ekranda nasıl bir görüntü oluşacaktır? Tahmininizi (8.5) numaralı şekildeki kutuya
çiziniz.
Şekil 8.5: Sabit elektrik ve manyetik alanlar
Şimdi de saptırıcı elektriksel potansiyel (8.3) numaralı şekildeki gibi testere şeklinde değişiyorken
bobini (8.4) numaralı şekilde görüldüğü gibi yerleştirerek gösterilen yönde yine sabit bir manyetik alan
oluşturduğumuzu düşünelim. Bu durumda ekranda nasıl bir görüntü oluşacaktır? Tahmininizi (8.6)
numaralı şekildeki kutuya çiziniz.
58
Şekil 8.6: Değişken elektrik alan ve sabit manyetik alan
Deneyin yapılışı
Şekil 8.7: Deney düzeneği
1. Deney düzeneğini (8.7) numaralı şekilde görebilirsiniz. Şekilde sol tarafta güç kaynağı, sağ tarafta
ise osiloskop görülmektedir.
• Güç kaynağı üzerinde en solda bulunan gösterge hızlandırıcı Vh potansiyelini göstermektedir
ki bu deneyde kullacağımız değer Vh = 250V ’dur.
• Soldan ikinci gösterge elektron demetini odaklayan sistem için gerekli gerilimi sağlamaktadır. Bu gerilimin değerini değiştirerek daha iyi odaklanmış bir demet elde edebilirsiniz.
Ancak bu deneyimiz için çok da önemli değildir. O nedenle bu potansiyelin değerini değiştirmeyiniz.
• Soldan üçüncü gösterge elektron demeti kaynağını ısıtmak için kullanılmaktadır. Bu potansiyelin değerini de lütfen değiştirmeyiniz.
59
• En sağda bulunan gösterge (8.7) numaralı şekilde görüldüğü gibi manyetik alanı oluşturacak
olan bobinin uçları arasındaki gerilimi sağlamaktadır. Bu gerilimi arttırarak manyetik alanın
şiddetini arttırabilirsiniz.
2. Osiloskobun içinin yakından bir görünüşünü (8.8) numaralı şekilde görmekteyiz. Elektronlar soldaki levhalar arasında hızlanmakta, sağdaki levhalar arasında da yollarından sapmaktadırlar.
Eğer laboratuvarın ışıklarını kapatırsanız elektron demetini izlediği yolu mor bir çizgi şeklinde
görebilirsiniz. Bu ışık elektronların yoları üzerinde çarpıştıkları gaz atomları tarafından yayımlanmaktadır. Eğer koşullar uygun olursa asistanınız sizin için laboratuvarın ışıklarını kapatabilir.
Şekil 8.8: Hızlandırıcı ve saptırıcı potansiyel
3. Osiloskobun sağ üst tarafında bulunan düğme saptırıcı potansiyel Vs ’yi ayarlamaktadır. (8.9) numaralı şekilde görüldüğü gibi bu düğme en soldaki konumda (off) olduğunda saptırıcı potansiyel
(8.2) numaralı şekilde görüldüğü gibi sabittir. Düğme bir kademe sağa doğru çevrildiğinde (8.3)
numaralı şekilde görülen testere potansiyeli elde edilir. Düğme sağa doğru her ilerlediğinde testere potansiyelinin frekansı artacaktır.
Şekil 8.9: Saptırıcı potansiyeli değiştiren düğme
60
4. Şimdi güç kaynağını çalıştırınız ve Vs saptırıcı potansiyel düğmesini en sol konuma getiniz (sabit saptırıcı potansiyel). 30 saniye kadar beklediğinizde ekranda yeşil bir nokta göreceksiniz. Bu
noktanın konumuna göre saptırıcı levhalar arasındaki elektrik alan hangi yöndedir? Aşağıdaki
şekil üzerinde elektrik alanın yönünü, levhalar üzerindeki yüklerin işaretlerini ve elektronların
yörüngesini gösteriniz.
Şekil 8.10: Osiloskopta sabit elektrik alan (yukarıdan görünüş).
5. Şimdi Vs saptırıcı potansiyel düğmesini bir kademe sağa çeviriniz. Bu durumda (8.3) numaralı
şekildeki gibi bir testere potansiyeli elde edeceksiniz. Ekrandaki yeşil nokta nasıl hareket etmektedir? Gözleminizi (8.3) numaralı şekle çizdiğiniz tahmininizle karşılaştırınız. Eğer tahmininiz
yanlışsa düzeltiniz. Elektrik alan nasıl değişmektedir? Elektronlar bu durumda nasıl bir hareket
yapmaktadırlar? Yanıtınızı kısaca aşağıya yazınız.
..........................................................................................
..........................................................................................
..........................................................................................
..........................................................................................
6. Vs saptırıcı potansiyel düğmesini kademe kademe sağa çeviriniz. Bu şekilde postansiyelin değişim frekansını arttırmış olmaktasınız. Bu durumda ekrandaki görüntü nasıl değişmektedir? Ne
gördüğünüzü ve nedenini aşağıya kısaca yazınız.
..........................................................................................
..........................................................................................
..........................................................................................
..........................................................................................
7. Şimdi Vs saptırıcı potansiyel düğmesini tekrar en sol konuma getiniz (sabit saptırıcı potansiyel).
Bu durumda ekranda tekrar yeşil bir nokta görmelisiniz. Deney setinizdeki bobini alıp (8.7) numaralı şekildeki gibi güç kaynağının en sağdaki çıkış uçlarına bağlayınız. Bobinin uçlarına uygulanan gerilimi (ve dolayısıyla manyetik alanın şiddetini) bu bağlantının hemen üzerindeki düğme
ile kontrol edebilirsiniz. Manyetik alanın şiddeti çok büyük olmayacak şekilde bu gerilimi ayarlayınız.
8. Bobini alıp saptırıcı levhaların yakınına getiriniz. Eğer ekranınızdaki yeşil nokta hiç hareket etmiyorsa manyetik alanınız çok zayıf demektir. Eğer yeşil nokta kayboluyorsa bu da manyetik alanınızın çok kuvvetli olması dolayısıyla elektronların yollarından çok fazla saparak ekranın dışına
61
çıktıkları anlamına gelmektedir. Buna göre ayarlamanızı yaparak orta şiddette bir manyetik alan
elde ediniz.
9. Bobini osiloskobun etrafındaki metal halkaya sabitleyiniz. Bobini sabitlediğiniz yeri öyle bir seçiniz ki manyetik alanınız elektrik alan ile aynı doğrultuda olsun. (Elektrik alan ile manyetik alanın
yönleri zıt olabilir. Burada önemli olan sadece aynı doğrultuda olmalarıdır.)
10. Ekrandaki yeşil noktanın nasıl yer degiştirdiğine bakınız. Gözleminiz (8.5) numaralı şekilde yaptığınız tahminle uyumlu mudur? Eğer tahmininiz yanlışsa düzeltiniz. Saptırıcı levhalar arasındaki
elektrik alanın yönünü, bobinin konumunu ve bobinin oluşturduğu manyetik alanın yönünü aşağıdaki şekil üzerinde gösteriniz.
Şekil 8.11: Osiloskopta sabit elektrik ve manyetik alan (yukarıdan görünüş).
11. Şimdi Vs saptırıcı potansiyel düğmesini kademe kademe sağa çevirek saptırıcı levhalar arasında
giderek artan frekanslarda testere potansiyelleri oluşturunuz. Bu durumda ekranda gördügünüz
görüntü (8.6) numaralı şekilde çizdiğiniz tahmininizle uyumlu mudur? Eğer tahmininiz yanlışsa
düzeltiniz. Ne gördüğünüzü ve nedenini aşağıya kısaca yazınız.
..........................................................................................
..........................................................................................
..........................................................................................
..........................................................................................
12. Son olarak manyetik alanın yönünü de periyodik olarak değiştirisek ne olacağını düşününüz. Asistanınız manyetik alanın yönünü periyodik olarak nasıl değiştirebileceğiniz size gösterecektir. Ancak öncelikle size tahmininizin ne olacağını soracaktır. O nedenle asistanınızı çağırmadan önce
yanıtınız üzerinde düşününüz.
13. Hem elektrik hem de manyetik alanın sürekli yön değiştirmesi ile yolundan saptırılan elektron
demetinin ekran üzerinde bıraktığı iz, CRT görüntüleme teknolojisinin temelini oluşturmaktadır.
Elektrik ve manyetik alanın frenkanslarını değiştirerek ekranda çeşitli şekiller oluşturabilirsiniz.
Eğer zamanınız kalırsa çeşitli şekilleri denemenizi tavsiye ederim.
14. Bu deneyden başarılı sayılabilmeniz için deney sonunda asistanınızın size soracağı bazı soruları
yanıtlayabilmeniz gerekmektedir. Asistanınız size belirli durumlarda elektrik ya da manyetik alanın yönünü ve elektron demetinin nasıl bir hareket yaptığını sorabilir. Bu noktaları iyice anladığınızdan emin olunuz.
62