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El osciloscopio
Electromagnetismo
Movimiento de las
partículas cargadas
Fuerzas sobre las
cargas
Atomo de Bohr
El osciloscopio
Separación de
semillas
Motor iónico
Acelerador lineal
Medida de la relación
carga/masa
Medida de la unidad
fundamental de carga
El espectrómetro
de masas
El ciclotrón
Campos eléctrico y
magnético cruzados
Descripción
Fundamentos físicos
Actividades
Descripción
El osciloscopio es un instrumento muy corriente en el laboratorio de Física, de
Electricidad y Electrónica. Tiene forma cónica con un cuello tubular en el que va
montado el cañón de electrones. Describiremos sus distintas partes:
El cañón electrónico
Los electrones son emitidos por un cátodo de caldeo, que tiene forma de un cilindro
cerrado por un extremo mediante una plaquita. Esta placa está recubierta por óxidos
de bario y estroncio que emiten un haz de electrones de alta densidad. El cátodo se
calienta mediante un elemento calefactor en forma de hélice que está contenido en el
cilindro.
A continuación, y muy próximo al cátodo viene la rejilla de control que tiene un
orificio más pequeño que la superficie emisora. Una segunda rejilla de control acelera
los electrones que han pasado a través de la primera rejilla.
El siguiente elemento dentro del tubo, es el denominado ánodo de enfoque. Que tiene
forma cilíndrica con varios orificios. Finalmente, tenemos el ánodo acelerador.
El ánodo acelerador A2 está fijado a un potencial de varios miles de voltios respecto al
cátodo. El primer ánodo de enfoque A1 funciona a un potencial V
C
que es
aproximadamente la cuarta parte de A2, V
C
+V
B
. La segunda rejilla R2 está conectada
internamente a A2. Variando los potenciales V
B
y V
C
se puede cambiar la energía del
haz de electrones.
La rejilla de control R1 es siempre negativa respecto al potencial del cátodo C. La
densidad del haz de electrones y por tanto, la intensidad de la imagen sobre la pantalla
puede variarse cambiando esta diferencia de potencial, que recibe el nombre de
tensión de polarización. Normalmente, la rejilla de control R1 funciona a un potencial
de 20 voltios negativos respecto del cátodo.
El tubo de rayos catódicos tiene dos pares de placas deflectoras que desvían el haz en
dos direcciones mutuamente perpendiculares. Las placas no son completamente
paralelas sino que se ensanchan para lograr grandes ángulos de desviación evitando
que el haz de electrones choque contra los bordes de las placas. La diferencia de
potencial entre las placas deflectoras suele ser de 0 a 45 voltios.
La pantalla
La pantalla del tubo de rayos catódicos está recubierta internamente con una sustancia
fosforosa que destella visiblemente cuando incide sobre ella un haz de electrones.
Se denomina luminiscencia a una propiedad radiativa de los sólidos. La sustancia
brilla cuando se ilumina con luz de longitud de onda apropiada o se excita por algún
otro medio como el choque con un haz de electrones.
Cuando se lleva un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, deja
un hueco en la banda de valencia. En una red perfectamente pura y regular, el
electrón regresa a la banda de valencia.
Si la red tiene impurezas que introduzcan niveles de energía en la región prohibida,
un electrón que ocupe un nivel de impureza bajo, puede llenar el hueco en la banda
de valencia, mientras que el electrón en la banda de conducción puede caer a alguno
de los niveles de impureza cercanos a dicha banda. Cuando el electrón pasa de un
nivel de impureza cercano a la banda de conducción a un nivel de impureza de baja
energía, emite radiación que se denomina luminiscencia.
El electrón situado en la banda de conducción puede caer en una trampa, desde la
cual está prohibida una transición al nivel fundamental de impureza. Al cabo de
cierto tiempo, el electrón puede regresar a la banda de conducción, después de lo cual
pasa de a un nivel de impureza cercano a la banda de conducción y a continuación, al
nivel fundamental de impureza.
Debido al tiempo empleado en este proceso, que puede ser de varios segundos, el
proceso se llama fosforescencia. La sustancias que se comportan de esta manera
como el sulfuro de cinc se usan en las pantallas de los tubos de rayos catódicos,
televisión, etc.
Cuando el haz de electrones choca contra el material de la pantalla, otros electrones
son expulsados del fósforo. Estos electrones libres, se denominan electrones
secundarios y son recogidos por un recubrimiento de grafito en polvo que se aplica a
la superficie interna del tubo. El grafito es conductor de la electricidad y lleva los
electrones al terminal positivo de la fuente de alimentación.
Fundamentos físicos
El movimiento del electrón se realiza en tres etapas:
En el cañón acelerador
Entre las placas deflectoras
Cuando se dirige hacia la pantalla
Movimiento en el cañón acelerador
La velocidad de los electrones cuando llegan a las placas deflectoras después de
haber sido acelerados por el cañón de electrones es.
Movimiento entre las placas del condensador
Entre las placas deflectoras, el electrón experimenta una fuerza constante F=qE.
Siendo E el campo eléctrico en el espacio comprendido entre las dos placas.
Utilizamoslas ecuaciones del
movimiento curvilíneo bajo aceleración constante
Si L es la longitud del condensador, la desviación vertical y del haz de electrones a la
salida de las placas será
Movimiento fuera de las placas
Después de que el haz de electrones abandone la región deflectora, sigue un
movimiento rectilíneo uniforme, una línea recta tangente a la trayectoria en el punto
x=L en el que dicho haz abandonó la mencionada región.
La desviación total del haz en la pantalla situada a una distancia D del condensador
es
El ángulo de desviación aumenta con la longitud L de las placas, con la diferencia de
potencial V
d
( o el campo E) entre las mismas. Aumenta también, si se disminuye el
potencial acelerador V, o la velocidad v
0
de los electrones, permitiéndoles estar más
tiempo dentro del campo deflector.
Actividades
Se introduce:
El campo eléctrico entre las placas deflectoras, en el control de edición titulado
Campo eléctrico, el valor introducido se multiplica por 10000 N/C
La diferencia de potencial (ddp) V en voltios entre el cátodo y el ánodo del
cañón acelerador, en el control de edición titulado d.d.p
Se pulsa el botón titulado Nuevo, y se dibuja la trayectoria seguida por el haz de
electrones. Sobre la escala vertical a la derecha del applet, se puede medir la
desviación del haz de electrones en cm. Cuando se hayan dibujado varias trayectorias
se pulsa el botón titulado Borrar, para limpiar el área de trabajo de applet.
Ejemplo
Se introducen los siguientes datos:
ddp del cañón acelerador, 2000V
Intensidad del campo eléctrico entre las placas deflectoras es 1.5·10000=15000
N/C.
La longitud de las placas deflectoras es de 4 cm
La distancia desde el final de las placas hasta la pantalla es de 12 cm
Si la diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo del cañón acelerador es 2000
V, la velocidad de los electrones al llegar a las placas deflectoras es
A lo largo del eje horizontal, la velocidad de los electrones es constante. El tiempo
que tarda en recorrer los 4 cm que miden las placas es 0.04=v
x
·t,
La desviación a la salida de las placas es
Las componentes de la velocidad en dicha posición son
v
x
=2.65·10
7
m/s, y v
y
=3.98·10
6
m/s. El vector velocidad se habrá desviado de la
dirección inicial horizontal, un ángulo tanq=v
y
/v
x
A continuación, los electrones siguen una trayectoria rectilínea a lo largo de una
distancia horizontal de 12 cm hasta llegar a la pantalla
La desviación total es
y=0.003+0.12·tanq=0.021 m= 2.1 cm
ThomsonApplet aparecerá en un explorador compatible con JDK 1.1.
Espiras en uncampo magnético variable con el tiempo (I).pdf
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