I UPUTE ZA RAD S OSCILOSKOPOM Osciloskop se sastoji od katodne cijevi i pripadnih strujnih krugova. Ima četiri osnovna dijela. a) Elektronski top. To je uređaj kojim dobivamo uski snop elektrona. Shema uređaja prikazana je na slici 1. Brightness Fokus Grafitni sloj Slika 1. Elektronski top ima indirektno grijanu katoda C, cilindar G koji nazivamo rešetkom i dvije anode A 1 i A 2. Rešetka G je na negativnom potencijalu obzirom na katodu C i kontrolira broj elektrona koji dolaze na A 1 iz katode C. Otpor R 1 određuje potencijal rešetke G i time kontrolira intenzitet mrlje na zastoru (brightness) koji ovisi o broju pridošlih elektrona. Anode A 1 i A 2 imaju oblik šupljih metalnih valjaka i obje su na pozitivnom potencijalu obzirom na katodu C, A 2 na višem nego A 1. Uloga anoda jest da ubrzavaju elektrone duž evakuirane cijevi, a po obliku i potencijalu su takove da električno polje među njima fokusira snop elektrona u točkastu mrlju na fluorescentnom zastoru S na kraju cijevi. Podešavanjem potencijala anode A 1 pomoću potenciometrijski spojenog otpornika R 2 postiže se fokusiranje snopa elektrona (fokus). A 1 i A 2 čine sistem "elektronskih leća". Kad elektroni stignu velikom brzinom na fluorescentni zastor na njemu dolazi do sekundarne emisije elektrona tj. do emisije elektrona iz površine koju bombardiraju elektroni. Sekundarni elektroni sa površine S se skupljaju na grafitnom premazu na unutrašnjosti cijevi. Taj je sloj grafita povezan s anodom A 2. Na površinu S dolaze elektroni iz elektronskog snopa međutim sekundarnom emisijom površina S izgubi približno jednak broj sekundarnih elektrona pa je potencijal površine S približno jednak potencijalu anode A 2. Zbog toga elektroni u elektronskom snopu putuju stalnom brzinom između A 2 i površine S. Dodajmo još da grafitni sloj ujedno štiti cijev od vanjskih polja, Da bismo spriječili da uzemljeni objekti (npr. eksperimentator) u blizini osciloskopa djeluju na snop elektrona, anoda A 2 (i grafitni sloj) je uzemljena. To znači daje i + pol izvora visokog napona također na potencijalu zemlje pa ostale elektrode postaju negativne obzirom na A 2. Elektroni se ubrzavaju samo u području između C i A 2.
II b) Otklonske pločice. Pošto je snop elektrona prošao kroz anodu A 2 on prolazi između dvije horizontalne pločice, Y pločice. Kad na te pločice priključimo neki vanjski napon, električno polje između pločica uzrokuje vertikalni otklon snopa. Zatim snop elektrona prolazi između dvije vertikalne pločice, X pločice, koje otklanjaju snop u horizontalnom smjeru kad je na njih priključen vanjski napon. Da bismo utjecaj električnog polja između otklonskih pločica na ostale dijelove cijevi (koji mogu uzrokovati defokusiranje snopa elektrona) učinili što manjim po jednu od svakog para pločica spojimo na isti potencijal kao anodu A 2. U praksi su X 2, Y 2 i A 2 međusobno interno spojene u jednoj točki koja je na prednjoj ploči osciloskopa označena kao uzemljenje E. Vanjski napon koji će otklanjati snop u vertikalnom, odnosno horizontalnom smjeru, priključujemo na pločicu Y 1 (označenu na prednjoj ploči osciloskopa kao Y-input ) ili X 1 (označenu kao X-input). X i Y otklonska pojačala obično su ugrađena u osciloskopu tako da pojačavaju napone koji su premali da bi dali mjerljive otklone snopa elektrona prije no što su spojeni na pločice. c) Fluorescentni zastor. Unutrašnjost proširenog dijela cijevi premazana je fosforom koji emitira svjetlost pri udaru brzih čestica. To se može primijetiti kao fluorescencija (emisija svjetlosti prestaje bombardiranjem brzih čestica) ili fosforescencija (emisija traje još neko vrijeme nakon bombardiranja). Ako je cijev premazana cinkovim sulfidom, onda on emitira plavičastu svjetlost i nema emisije svjetlosti nakon bombardiranja. To je obično slučaj kod svih osciloskopa. d) Vremenska baza. Ako na Y-ulaz osciloskopa stavimo neki napon koji se periodički mijenja, kao što je na primjer transformirani napon iz gradske mreže, dok je na X-ulazu napon jednak nuli, svijetla mrlja na fluorescentnom zastoru opisuje vertikalnu dužinu koja je jednaka dvostrukoj amplitudi titranja mrlje. Međutim, da bi nam mrlja, odnosno snop elektrona, mogla opisivati promjene vertikalnog električnog polja u vremenu, moramo snop elektrona istodobno otkloniti i u horizontalnom smjeru i to proporcionalno s vremenom. Taj otklon postižemo naponom na horizontalnim pločicama. X pločice (vertikalne) spojene su sa strujnim krugom u osciloskopu koji se naziva vremenskom bazom. Taj strujni krug proizvodi tzv. pilasti napon poput onoga prikazanog na sl. 2. "Uzlazni" dio pilastog napona AB mora biti linearan kako bi otklon snopa u horizontalnom smjeru bio proporcionalan vremenu i uzrokovao da snop putuje po ekranu od lijeva na desno brzinom koja je stalna, ali koja se Slika 2. može mijenjati podešavanjem vremenske baze. Podešavanjem vremenske baze postižemo usklađivanje s frekvencijom izmjeničnog napona na Y-ulazu tj. na horizontalnim pločicama. Kad elektronski snop dođe do ruba ekrana, napon na X pločicama naglo pada na nulu (BC dio pilastog napona) i svijetla mrlja se vrio brzo, praktički momentalno, vraća u početni položaj. Da bismo na ekranu dobili mirnu sliku nekog periodičnog napona (priključenog na Y-ulaz) svaki horizontalni pomak snopa mora započeti u istoj
točki valne funkcije koju promatramo. To se postiže tako da dio ulaznog signala odlazi do strujnog kruga koji okida (trigger) koji duge pulseve (u odabranoj točki na ulaznom signalu odabranoj komandom "trig level") koji pokreću uzlazni dio pilastog napona vremenske baze tj. okida ("trigger") vremensku bazu čime započinje horizontalno gibanje snopa elektrona na ekranu od lijeva na desno, U praksi se najčešće upotrebljava automatsko okidanje (AUTO position on the TRIG LEVEL control), Valni oblik ulaznog signala bit će vjerno predočen (bez izobličenja) samo onda ako je uzlazni dio pilastog napona vremenske baze linearan. Kad vremenska baza ima frekvenciju jednaku frekvenciji ulaznog signala, na ekranu ćemo vidjeti jedan potpuni val; ako je frekvencija vremenske baze pola od one ulaznog signala, na ekranu ćemo vidjeti dva vala itd. Kad osciloskop uključimo u gradsku mrežu treba pričekati kratko vrijeme da se na ekranu pojavi svijetla mrlja, trag udara snopa elektrona na fluorescentni zastor. Sjaj, odnosno intenzitet mrlje, možemo mijenjati zakretanjem gumba uz koji stoji oznaka INTENSITY. OPREZ! Mrlja može biti tek toliko sjajna da se bez poteškoća vidi na zastoru. Ako je nepomična mrlja ili krivulja suviše sjajna i duže vrijeme na istom mjestu zastora može doći do oštećenja zastora. Kad god ne promatramo zastor, treba smanjiti sjaj mrlje tako da ona gotovo nestane. Ako osciloskop ima kalibriranu vremensku bazu možemo njime mjeriti vremenske intervale. Kalibracija vrijedi jedino u slučaju kad je gumb za finu regulaciju vremenske baze (označen sa swp. var.) u položaju CAL. Dvokanalni osciloskopi imaju sistem koji razdvaja snop elektrona u dva snopa koji reagiraju na istu vremensku bazu. Takav osciloskop nam omogućuje da istovremeno promatramo dvije periodične promjene i eventualni pomak u fazi između njih. Vremensku bazu na osciloskopu podešavamo gumbom uz koji stoji oznaka TIME/DIV. Podesimo li vremensku bazu npr. na 2 ms to znači da na kalibriranom osciloskopu snop elektrona tj. svijetla mrlja pređe duljinu koja odgovara stranici jednog kvadratića za 2 ms. Pomoću gumba uz koji je oznaka VOLT/DIV (volt divider) možemo podesiti ulazni signal, tj. vertikalni otklon snopa, na veličinu koja je dobro vidljiva. Ako na kalibriranom osciloskopu gumb uz taj Y-ulaz pokazuje napon 20 mv to znači da otklon duljine jedne stranice kvadratića u vertikalnom smjeru odgovara naponu od 20 mv. III
1 ODREĐIVANJE FREKVENCIJE GRADSKE MREŽE PRIBOR: Osciloskop (kalibrirani), žica za priključak na osciloskop, transformator 220 V / 2 V, generator sinusnih titraja. UPUTA: Pomoću osciloskopa možemo mjeriti vremenske intervale samo ako on ima kalibriranu vremensku bazu. Kalibracija vrijedi jedino u slučaju kad je gumb za finu regulaciju vremenske baze (označen sa swp,var.) u položaju CAL. Na ekranu osciloskopa promatrat ćemo i mjeriti frekvenciju napona gradske mreže sniženog preko transformatora na 2 V. Napon od 2 V priključit ćemo na Y-ulaz osciloskopa pomoću priključnice za osciloskop. Crni utikač spojimo na nulu transformatora, a crveni na utičnicu transformatora uz oznaku 2 V. Za vremensku bazu odaberemo 5 ms što znači da snop elektrona prijeđe jedan djelić skale (stranica kvadratića) za 5 ms. Pošto smo uključili osciloskop u gradska mrežu odaberimo vertikalno pojačanje takvo da je ulazni signal dobro vidljiv. Zadatak: 1. Odredite frekvenciju gradske mreže iz slike izmjeničnog napona gradske mreže koju ste dobili na ekranu osciloskopa. 2. Odredite frekvenciju nekog sinusnog signala iz generatora signala i provjerite dobivenu vrijednost na skali generatora.
2 Izmjenična struja i napon LITERATURA Fizika 3, Nada Brković, Udžbenik za treći razred gimnazija, str. 207-209, Zagreb 1998. PRIBOR Računalo s instaliranim programom Logger Pro, Vernier međusklop, generator sinusnih titraja (FUNCTION GENERATOR), žarulja oznake 3,5 V i 0,2 A, postolje za žarulju, štoperica, voltmetar (Differential Voltage senzor), ampermetar (Current 600mA max), digitalni voltmetar. UPUTE Kod kuće ste imali priliku gledati žarulju kućne lampe koja je spojena na izmjenični napon. Žarulja svijetli cijelo vrijeme istim intenzitetom. Kako je to moguće kad je žarulja spojena na izmjenični napon? Što mislite zašto se sjaj žarulje ne mijenja? Da li se uopće mijenja napon na žarulji? Još kada pogledamo da napon gradske mreže iznosi 220 V, zašto bi uopće to nazvali izmjeničnim naponom. Kakav je zapravo napon gradske mreže? Objasnite. Titranje žarulje Generator sinusnih titraja, kao što mu i sam naziv kaže, može generirati različite sinusne titraje različitih frekvencija. On će nam poslužiti kao izvor izmjeničnog napona. Složite strujni krug kao na slici 1. Slika 1 Za frekvenciju titranja uzmite 0,5 Hz 1. Što ste zapazili? Što se događa s sjajem žarulje? 2. Malo se igrajte povećavajući i smanjujući frekvenciju i gledajte što se događa s frekvencijom titranja žarulje. 3. Izmjerite period titranja žarulje pomoću štoperice. Napomena: treba pripaziti što zapravo znači jedan period titranja žarulje!!! Iz podataka za period
2 izračunajte frekvenciju. Frekvencija bi trebala biti približno jednaka onoj frekvenciji koju daje generator sinusnih titraja 1. 4. Povećavajte frekvenciju od 1Hz pa na više. Nađite frekvenciju na kojoj vam se čini da žarulja više ne titra. Da li ta frekvencija ima kakvo značenje? Napon i struja u krugu izmjenične struje Da bismo vidjeli kao se mijenjaju struja i napon u vremenu u strujni krug ćemo spojiti još voltmetar (Differential Voltage senzor) i ampermetar (Current 600mA) kao na slici 2. Slika 2 1. Isključite generator sinusnih titraja. 2. Prijavite se (ulogirajte se, eng. login) na korisnički račun Student, sa šifrom student 3. Spojite voltmetar (senzor) na Channel 1 (CH 1), a ampermetar na Chanel 2 (CH 2) na međusklop. 4. Pokrenite Logger Pro program ikona se nalazi na Desktopu. 5. Pazite da ste dobro spojili voltmetar i ampermetar prema oznakama na njima. 6. Kliknite gumb Zero u programu Logger Pro da biste poništili na nulu napon na voltmetru odnosno struju na ampermetru. 7. Uključite generator sinusnih titraja. 8. Postavite frekvenciju titranja generatora sinusnih titraja na 0,7 Hz 9. U programu Logger Pro kliknite gumb Collect. Nakon 20s će program automatski prestati skupljati podatke. 10. Koju funkciju ste dobili kao sliku na grafu? Frekvencija titranja 2. način: Iz grafa ovisnosti napona o vremenu očitajte period titranja napona? To ćete napraviti tako da označite (zacrnite) dio na grafu koji označava jedan period, a vrijednost ćete očitati u donjem lijevom uglu grafa pod oznakom dx. Da li ste mogli period očitati i iz grafa ovisnosti struje i vremena? Da li struja i napon titraju istom frekvencijom? 1 Napomena: Generator sinusnih signala ne daje baš istu frekvenciju napona kao što je označena na njemu!!
2 Iz podatka za period izračunajte frekvenciju titranja? 3. način: Prilagodbom (eng. to fit) sinus funkcije mjerenim podacima možemo dobiti podatak o kružnoj frekvenciji ω titranja napona (struje)! Prvo, kliknite ne jedan od dobivenih grafova. Kliknete gumb, izaberite Sine y = Asin( Bt + C) + D funkciju. Kliknite, zatim kliknite OK. Otvoriti će vam se novi prozorčić s parametrima A; B, C, D. Koji od parametar predstavlja kružnu frekvenciju ω? Iz podatka za kružnu frekvenciju izračunajte frekvenciju titranja. Podaci za frekvenciju titranja napona i struje mjereni u sva tri načina trebaju biti približno jednaki onoj frekvenciji koju piše na generatoru sinusnih signala. Efektivna i maksimalna vrijednost napona (struje) 1. Za frekvenciju titranja uzmite 50 Hz. Spojite digitalni voltmetar na žarulju i očitajte vrijednost napona. Što mislite, da li je taj napon koji mjerite maksimalni ili efektivni? 2. Prilagodbom (eng. to fit) sinus funkcije mjerenim podacima možemo dobiti podatak o maksimalnoj vrijednosti napona (amplitudi). Prije nego što kliknete gumb Collect ćete kliknuti Experiment->Data Collection i u okvir Length upisati 2 kako biste smanjili vrijeme sakupljanja podataka i okvir samples/seconds upisati 2000 da bi graf bio glatkiji. Graf će izgledati dosta zgusnuto, ali ga možete proširiti tako da rastegnete x-os. Nakon ovoga možete normalno prilagoditi funkciju sinus mjerenim podacima. Koji od parametara predstavlja maksimalnu vrijednost napona? 3. Podijelite maksimalni napon s efektivnim naponom. Koji ste broj dobili? Pogledajte definiciju efektivnog napon i usporedite podatke.
3 INDUKTIVNI OTPOR LITERATURA: Krsnik-Mikuličić, Fizika Međudjelovanja, relativnost, titranja i zvuk, Školska knjiga, Zagreb, 1992. str. 260.-261. PRIBOR: Izvor istosmjernog napona 4 V, izvor izmjeničnog napona 4 V (transformator 220 V / 4 V), žaruljica 3, 5 V, grlo za žaruljicu, školski transformator sa zavojnicom oznake 220 (priključenom na svoje krajnje priključnice), preklopnik, žice za spajanje. Pokus izvodimo prema uputama u literaturi.
4 ZAVOJNICA U KRUGU IZMJENIČNE STRUJE LITERATURA: Krsnik-Mikuličić, Fizika Međudjelovanja, relativnost, titranja i zvuk, Školska knjiga, Zagreb, 1992. str. 261. PRIBOR: generator sinusnih titraja, zavojnica školskog transformatora (220, 120), miliampermetar za izmjeničnu struju (30 ma), voltmetar za izmjeničnu struju (10 V), prekidač, žice za spajanje. Pokus izvodimo prema uputama u literaturi.
5 INDUKTIVNI OTPOR - STRUJA I NAPON LITERATURA: Krsnik-Mikuličić, Fizika Međudjelovanja, relativnost, titranja i zvuk, Školska knjiga, Zagreb, 1992. str. 261.-264. PRIBOR: Generator sinusnih titraja, otpornik otpora 10 Ω, demonstracijski voltmetar s nulom na sredini skale i predotporom za 5 V, demonstracijski ampermetar s nulom na sredini skale i šantom za 100 ma i 10 ma (oba se spajaju na ampermetar na priključnice za istosmjernu struju), zavojnica od 3 600 zavoja na zatvorenoj željeznoj jezgri školskog transformatora, dvokanalni osciloskop, žice za spajanje. Pokus izvodimo prema uputama u literaturi.
6 PRINCIP KONDENZATORA PRIBOR: Elektroskop, pločica za elektroskop, polivinilski štap, krpa od vunene tkanine. UPUTE: Nabijenom elektroskopu s pločicom naglo približite ruku, tako da dlan bude paralelan s pločicom, ali da je ne dotiče. Pri tumačenju pokusa uzmite u obzir da elektroskop mjeri napon između kućišta i kazaljke. (To možete provjeriti tako da žicom spojite kućište i pločicu elektroskopa, te ga nabijete pomoću polivinilskog štapa. Premda dovodite naboj na elektroskop kazaljka se neće otkloniti, jer su i kućište i kazaljka na istom potencijalu, pa je napon između njih jednak nuli.) Što opažate kad približite ruku nabijenom elektroskopu? Što se događa kad ruku odmaknete? Da li se promijenila količina naboja na elektroskopu kad ste mu približili ruku (a niste ga dotaknuli)? Da li se nešto dogodilo s pokretnim nosiocima nabojima u ruci kad su se našli u blizini naboja na elektroskopu? Kako se promijenio napon između kazaljke i kućišta elektroskopa? Zašto? Kako biste (ne mičući ruku) mogli postići prijašnju vrijednost napona? Da li je kapacitet sistema pločica i ruka veći ili manji u odnosu na kapacitet same pločice?
7 KAPACITET PLOČASTOG KONDENZATORA LITERATURA: Krsnik-Mikuličić, Fizika Međudjelovanja, relativnost, titranja i zvuk, Školska knjiga, Zagreb, 1992. str. 231., pokus P-10 PRIBOR: Elektroskop, dvije metalne pločice, žica, polivinilski štap s krpom.
8 KAPACITIVNI OTPOR LITERATURA: Krsnik-Mikuličić, Fizika Međudjelovanja, relativnost, titranja i zvuk, Školska knjiga, Zagreb, 1992. str. 264. PRIBOR: Izvor istosmjernog napona 6 V, izvor izmjeničnog napona 6 V (transformator 220 / 6 V), žaruljica 3,5 V / 0,2 A, 2 kondenzatora kapaciteta 60 µf, žice za spajanje. Pokus izvodimo prema uputama u literaturi.
9 KAPACITIVNI OTPOR - STRUJA I NAPON LITERATURA: Krsnik-Mikuličić, Fizika Međudjelovanja, relativnost, titranja i zvuk, Školska knjiga, Zagreb, 1992. str. 265.-267. PRIBOR: Generator sinusnih titraja, kondenzator kapaciteta 700 µf, demonstracijski voltmetar s predotporom za napon 15 V, demonstracijski ampermetar sa šantom 100 ma (spojen na priključnice za galvanometar) otpornik otpora 1 Ω, dvokanalni osciloskop, žice za spajanje. Pokus izvodimo prema uputama u literaturi.
10 KONDENZATOR I ZAVOJNICA U KRUGU IZMJENIČNE STRUJE LITERATURA: Krsnik-Mikuličić, Fizika Međudjelovanja, relativnost, titranja i zvuk, Školska knjiga, Zagreb, 1992. str. 259. PRIBOR: Kondenzator kapaciteta 60 µf, zavojnica školskog transformatora s oznakom 220, željezna jezgra transformatora, žaruljica za napon 3,5 V u grlu na stalku, žice za spajanje. Pokus izvodimo prema uputama u literaturi.