1a. Oscylograf katodowy

Oscylograf Katodowy służy do badania przebiegu szybkich zmian napięcia i natężenia prądu elektrycznego. Oscylograf składa się z lampy oscyloskopowej, zasilacza sieciowego, generatora podstawy czasu, wzmacniacza napięć zmiennych.

Lampa oscyloskopowa(rys.1) – Opróżniona (w miarę możliwości) z powietrza  rura szklana, w której znajduje się szereg elektrod :

·         Katoda (K), która po ogrzaniu przez grzejnik (G) emituje elektrony.

·         Cylinder Wehnelta, który reguluje ilość elektronów dochodzących do anody.

·         Anody (A1,A2)  naładowane dodatnio, ich zadaniem jest przyspieszenie elektronów i skupienie ich w wąski strumień

·         Elektrody odchylające (P1,P2,P3,P4), które powodują odchylanie strumienia elektronów  w dwu wzajemnie prostopadłych kierunkach

Poza elektrodami lampa oscyloskopowa składa się z Luminoforu, który fluoryzuje w miejscu padania wiązki elektronów.

Rys.1

1b. Prostowanie prądu zmiennego

Do zmiany prądu zmiennego na stały ,służy zasilacz prądu stałego.

Zasilacz taki składa się z czterech części: transformatora, prostownika, filtra oraz stabilizatora. Tutaj zajmę się tylko Prostownikami i filtrami.

Prostowniki dzielimy na półfalowe (jednopołówkowe), w których prostowaniu ulega napięcie jednego półokresu każdej z faz, oraz na całofalowe (dwupołówkowe), jeżeli napięcie jest prostowane w ciągu obu półokresów. Przykładem prostownika jednopołówkowego jest dioda prostownicza włączona w szereg z rezystorem, natomiast przykładem prostownika dwupołówkowego jest mostek Graetza. Do filtrowania służą kondensatory, które łączymy równolegle do prostownika. 

Złącze n-p – Wyróżniamy dwa typy półprzewodników :

-          elektronowe zwane również półprzewodnikami typu n (n – negativus)

-          dziurowe zwane również półprzewodnikami typu p (p – positivus).

Jeżeli połączymy je ze sobą otrzymamy złącze n-p, które wykazuje bardzo pożyteczną właściwość:

Swobodne elektrony w półprzewodniku typu n na skutek bezładnego ruchu termicznego i ze względu na obecność dziur w półprzewodniku typu p dyfundują przez granicę zetknięcia się do półprzewodnika typu n, gdzie łączą się z dziurami zmniejszając ich ilość. Dzięki temu zostaje zakłócona równowaga pomiędzy ilością ładunku dodatniego i ujemnego w półprzewodniku typu p i cienka warstwa tego półprzewodnika, w miejscu zetknięcia się z drugim półprzewodnikiem jest naładowana ujemnie. W drugim półprzewodniku dzieje się na odwrót. Dzięki temu wytwarza się tzw. strefa przejściowa, w której tworzy się pole elektryczne.

              W miarę narastania potencjału ujemnego półprzewodnika typu p i potencjału dodatniego przewodnika n, pole staje się tak silne, że dyfundujące elektrony zaczynają być z powrotem wciągane do półprzewodnika typu n. Wytwarza się stan równowagi i różnica potencjałów na granicy zetknięcia się dwu półprzewodników jest stała.

              Różnicę potencjałów na  granicy zetknięcia się dwu półprzewodników nazywamy napięciem kontaktowym lub baterią potencjału.

              Jeśli złącze takie włączymy w obwód prądu elektrycznego to przewodzenie jest zależne od sposobu włączenia. Jeśli półprzewodnik n jest połączony z ujemnym biegunem źródła, a p analogicznie (z dodatnim), to obserwujemy przepływ prądu o stosunkowo dużym natężeniu. Gdy podłączymy odwrotnie to natężenie prądu przepływającego jest tak słabe, żę można je pominąć.

Właściwość tę wykorzystano przy prostowaniu prądu zmiennego przy pomocy diody prostowniczej czyli złącza n – p.

Dioda prostownicza – dioda przewodzi gdy napięcie na niej jest dodatnie[1]. Jeżeli napięcie zasilające jest sinusoidalne to prąd płynie przez obciążenie tylko pół okresu tego napięcia.

Mostek Graetza – w czasie półfali dodatniej napięcia wejściowego prąd płynie przez uzwojenie wtórne, diodę D1 obciążenie R i diodę D3, a przy półfali ujemnej – przez uzwojenie wtórne , diodę D4 obciążenie R i diodę D2. W obu układach prąd płynie przez obciążenie w jednym kierunku i ma charakter pulsujący.

1c. Ruch ładunków w polu magnetycznym

I przypadek :

Ładunek q umieszczono w polu magnetycznym, nie nadając mu żadnej prędkości początkowej. Na ładunek w polu magnetycznym może działać siła Lorentza

Ale w naszym przypadku ze względu na spoczynek ładunku wartość tej siły równa jest zeru. Z pierwszej zasady dynamiki wynika, że ładunek w tym przypadku pozostaje w spoczynku.

Przypadek II:

Ładunkowi q nadano prędkość początkową o kierunku równoległym do lini pola.

Na ładunek może działać siła Lorentza, ale ponieważ kąt alfa równy jest zero i sinus tego kąta jest równy zeru, więc wartość tej siły równa jest 0.

Zgodnie z pierwszą zasadą dynamiki , ładunek w tym przypadku porusza się ruchem jednostajnym, prostoliniowym, zachowując nadaną mu prędkość równoległą do linii pola

Przypadek III:

Ładunkowi q nadaje się prędkość początkową o kierunku prostopadłym do linii pola.

Na ładunek działa siła Lorentza. W naszym przypadku alfa jest równe 90 stopni, więc sinus tego kąta równy jest jeden. Siła Lorentza ma więc wartość:

Jej zwrot wyznaczamy za pomocą reguły Fleminga.

Siła Lorentza jest w każdym punkcie toru prostopadła do wektora prędkości. Taka siła nie powoduje zmiany wektora  prędkości, lecz zakrzywia tor ruchu. Torem jest okrąg , a siła Lorentza jest siłą dośrodkową . Po porównaniu wzoru na siłę dośrodkową i siłę Lorentza możemy obliczyć promień okręgu, po którym porusza się w tym przypadku ładunek.

Stąd:

Przypadek IV

Ładunkowi q nadaje się prędkość początkową skierowaną pod kątem:

do linii pola magnetycznego .

Prędkość początkową rozkładamy na składowe:

-          równoległą do linii pola:

-         



prostopadłą do linii pola:

Ładunek porusza się więc według pierwszej składowej ruchem jednostajnym prostoliniowym, zaś według drugiej składowej ruchem po okręgu. W tym przypadku torem ruchu wypadkowego jest linia śrubowa.

1d. Krzywe Lissajou

Krzywa Lissajou to tor, jaki zakreśla punkt drgający harmonicznie w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach. Ogólne równania krzywych Lissajou, w których parametrem jest czas mają postać:

Gdzie a i b to amplitudy drgań, omega to częstość, a fi to fazy początkowe tych drgań.

Załóżmy, że i częstości obu tych drgań są jednakowe, to wówczas torem ruchu jest elipsa opisana równaniem :

Jej osie symetrii na ogół nie pokrywają się z kierunkami drgań składowych x, y.

Rozważmy przypadki szczególne:

I.                    Jeżeli ,

wtedy równanie przechodzi w równanie prostej i  ma postać:

wypadkowy ruch punktu jest ruchem harmonicznym z częstością po odcinku tej prostej, którego długość jest równa podwojonej amplitudzie drgań:

II.                  Jeżeli

wtedy równanie elipsy przechodzi w równanie prostej postaci:

III.                Jeżeli ,

Wówczas punkt porusza się po elipsie danej równaniem:

Dla fi dodatniego punkt ten porusza się zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara , dla ujemnego odwrotnie.

IV.               Dla innych kątów fi takich, że:

Krzywe Lissajous mają kształt elips mniej lub bardziej wydłużonych i ustawionych pod różnymi kątami. Gdy a = b równanie elipsy przechodzi w równanie okręgu o promieniu równym a.

2a. Przedstawienie wyników pomiarów