Катодно-лучевой осциллограф (рис. 1) используется для показа на экране электрических сигналов. Как и в двухэлектродной лампе, нагре­ватель Н (из вольфрамовой прово­локи), работающий под напряжением 6,3 В на его концах, подогревает катод С, который испускает электроны. Они ускоряются через вакуум по направле­нию к положительному аноду. Элект­роны проходят через анод и идут в вакуумной трубке до тех пор, пока не ударяются о флюоресцирующий эк­ран. Движение электронов управляет­ся изменением потенциала, приложеного к (а) решетке G, (б) анодам А₁ и А₂ и (в) пластинам Х и пластинам Y.

Решетка G имеет отрицательный потенциал по отношению к катоду и, таким образом отталкивает электроны, испускаемые из катода С. Большая сила отталкивания (большой отрица­тельный потенциал) означает, что не­многие электроны могут достигнуть флюоресцирующего экрана, если вооб­ще могут это сделать. Слабая сила отталкивания (меньший отрицатель­ный потенциал) позволяет многим электронам достигнуть флюоресци­рующего экрана, где они образуют яркое пятно. Если отрицательный по­тенциал решетки уменьшается, то эк­рана достигает большое число элек­тронов, давая более яркое пятно. Если же отрицательный потенциал решетки увеличивается, то экрана достигает меньше электронов, и поэтому пятно менее ярко и может даже исчезнуть. Поскольку решетка находится под от­рицательным потенциалом по отноше­нию к катоду, то она, кроме того, не дает отрицательным электронам в пучке отталкиваться друг от друга и, таким образом, обладает фокусирую­щим действием. Реостат, который из­меняет потенциал решетки, называет­ся регулятором яркости.

Анод А₁, который обычно имеет форму металлического диска, и анод А₂ в форме металлического цилинд­ра оба имеют в центре отверстие, поз­воляющее лучу проходить сквозь них. Они поддерживаются под положитель­ными потенциалами, которые высоки по отношению к потенциалу катода. Электроны ускоряются до очень боль­ших скоростей (одна десятая скорости света) положительно заряженными анодами. Хотя электроны и имеют очень маленькую массу', они разго­няются до столь высоких скоростей, что имеют кинетическую энергию (1/2 mu²)

достаточную, чтобы испу­скать свет, когда они ударяются о флюоресцирующий экран. Поскольку электроны будут замедляться столкно­вением с молекулами воздуха и вы­зывать ионизацию любого присут­ствующего газа, то весь воздух должен быть выкачан из трубки так, чтобы электроны могли свободно двигаться по всей длине трубки. Анод А₂ нахо­дится под большим потенциалом, чем анод А₁, и с изменением разности потенциалов между анодами электрон­ный пучок может быть сфокусирован, чтобы создать малое пятно на флюо­ресцирующем экране. Анод А₂ зазем­лен (нулевой потенциал), таким об­разом, другие потенциалы отрицатель­ны. Выводы и соединения безопасны, поскольку они недоступны. Реостат, который изменяет положительный по­тенциал, приложенный к А₁, называ­ется контролем фокуса. (Правильный фокус на практике достигается регулировкой яркости и фокуса по оче­реди.)

Система отклонения, состоящая из двух пар параллельных пластин X и Y, установленных внутри трубки, позво­ляет передвигать пятно в любую точку на экране. Горизонтальные пластины Y  могут отклонять пятно вертикально вверх и вниз, а вертикальные пласти­ны X могут отклонять пятно горизон­тально из стороны в сторону.

Когда к пластинам Y прилагается разность потенциалов при Y₁ положи­тельно заряженной, и Y₂, отрицательно заряженной, то отрицательные элек­троны будут отклоняться вверх (рис.

2,  а (1)). Наоборот, если Y₁ отри­цательна, а Y₂ положительна, то элек­троны будут отклоняться вниз (рис.2,  а (2)). Если разность потен­циалов приложена к пластинам X при Х₁ положительной и Х₂ отрицательной (рис. 2, б (1)), то электроны будут отклоняться вправо. Если X₁ отрица­тельна, а Х₂ положительна (рис. 2, б (2)), то электроны будут отклоняться влево. Размер отклонения зависит от разности потенциалов между пласти­нами.

Экран в конце трубки покрыт тон­ким слоем флюоресцирующей соли, та­кой, как ортосиликат цинка (дающий голубовато-белый цвет при ударе элек­тронов), фосфат или сульфат цинка (дающий зеленый цвет) либо вольфра- мат кальция (дающий голубой цвет).

Катодно-лучевой осциллограф в ка­честве вольтметра

Катодно-лучевой осциллограф мо­жет использоваться как вольтметр по­стоянного или переменного тока.

Примечание.

Вольтметр перемен­ного тока фиксирует среднее квадра­тичное значение напряжения V_скк, а след линии 2l на осциллографе пред­ставляет двойное амплитудное напря­жение V_p(см. ниже). Среднее квад­ратичное значение напряжения V_скк связано с амплитудным напряжением  V_р соотношением V_скк  = V _р / √2.

Переменное напряжение — это та­кое напряжение, которое непрерывно изменяется по величине и направле­нию и его простейшей формой являет­ся синусоидальное напряжение (рис. 3). Среднее квадратичное значе­ние мощности этого источника пред­ставляет собой среднюю эффективную мощность переменного тока.

Чтобы найти мощность Р, израсхо­дованную на сопротивлении R Ом, вы не должны использовать уравнение р= V_p²/R, поскольку иногда V = 0 и на самом деле напряжение изменяется от 0 до V_p. Вместо этого вы должны взять среднюю мощность в 0 и V_p² /R, т. е. 1/2 V_p²/R. Среднее квадратичное зна­чение напряжения V_скк эквивалентно неизменному напряжению постоянно­го тока, которое рассеяло бы ту же мощность Р на том же сопротивлении R. Теперь P = V²_скк/R, и уравнения для мощности дают

V²_скк / R= 1/2 V²_p/ R

V²_скк =  1/2 V²_p

V_{скк =} V_{p / √2}

V_скк =  0,707 V_p

Простое применение временной раз­вертки

Если регулятором пластин X до­биться того, чтобы пятно двигалось влево на экране, а генератор раз­вертки поставить в положение 1мс*см^-1, то должен образоваться прямолинейный след. Напряжение, приложенное к пластинам X, таково, что пятно движется с постоянной ско­ростью по экрану и затем очень быстро возвращается назад, вновь и вновь повторяя это движение. Когда частота генератора составляет 50 Гц, т. е. равна частоте 50 Гц напряжения, при­ложенного к пластинам У, то полу­чается след, изображенный на рисунке 4,  б. Пятно движется и горизон­тально, и вертикально, как показано на рисунке 5. За с пятно пере­мещается горизонтально один раз (рис. 5, а) и делает одно верти­кальное колебание (рис. 5, б). Ког­да эти два движения пятна происходят одновременно, то получается синусои­дальный след, показанный на рисунке 4,   в. Этот след прочерчивается 50 раз в секунду и находится в одном и том же месте на экране.

Волновые следы и применение таймера

Катодно-лучевой осциллограф мо­жет демонстрировать колебания. Он также может быть использован как чувствительный прибор для измере­ния времени. Если человек поет в микрофон, соединенный с осциллогра­фом, то может быть получен след, похожий на изображенный на ри­сунке 6, а, когда генератор вклю­чен. На рисунке 6,6 показан вид следов, которые появятся, если один и тот же тон воспроизводится камертоном, скрипкой и фортепиано соответственно. Разница в характере этих следов является следствием нали­чия обертонов в случаях со скрипкой и фортепиано. Они придают тонам их характерные окраску и тембр, которые позволяют слушателю различить зву­чащий «инструмент».

Осциллограф может использовать­ся и как таймер. К осциллографу под­соединяется микрофон и повора­чивается к твердой гладкой стене. Ес­ли издать резкий звук, то он фикси­руется на осциллографе как первый след, а отраженный от стены звук — как более поздний след на экране, как показано на рисунке 7. При известном положении генератора, на­пример 2 мс*см^-1, расстояние х см между этими двумя следами представ­ляет время 2х мс. Отсюда расстояние между двумя следами, измеренное в сантиметрах, может быть переведено во время при помощи точной времен­ной развертки. Эта временная раз­вертка может иметь диапазон от 100 мс*см^-1 до 1 мкс*см^-1. Измерен­ное время t может быть использовано для определения скорости звука в воз­духе в лаборатории, поскольку это есть то время, за которое звук прохо­дит от микрофона до стены и обратно, т. е. расстояние равно 2d. Следова­тельно, скорость звука может быть подсчитана по формуле 2d/t.